CN110394985A - 一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置及其方法，该方法将结合三维打印平台与液体在高压下的Taylor喷射效应相结合，来连续制备三维自组装多肽（FF）有机结构，利用连接高压直流电源的同轴喷头，使得FF/HFIP（六氟异丙醇）混合溶液与水在喷出时形成双层Taylor液锥。在该锥形液体尖部，液体迅速挥发，使得FF分子与水分子组装为有序长纤维结构。该长纤维结构可随喷头的移动可控的沉积在打印平台打印床上。保持喷头不动，在高强度电场的引导下，FF分子会发生竖直方向的自组装，形成立体结构。在液体喷射的过程中，使用精密供液系统以使得液锥尖部的FF分子得到及时、充分的供应，保证自组装过程的连续进行。
Description
技术领域
本发明属于生物三维打印技术领域，特别涉及一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置及其方法。
背景技术
生物三维打印技术将发展中的三维打印技术和细胞天然所具有的自我复制并形成组织的能力相结合，制造出了多种具有高度特异性的生物功能材料和结构（Murphy V. et al., Nat. Biotechnol., 2014, 32, 773）。人们期待通过这一技术在未来以“自底向上”的方式实现从活细胞中“生长”出“物体”，并将这样的“物体”与复杂的电子结构、生物体或者外界环境融为一体（Zeng W, et al.,Adv. Mater., 2014, 26, 5310）。它的基本方式与传统三维打印类似，都是通过将材料层叠放置在打印床上形成一个三维物体。主要的区别在于生物打印使用的是含有生物物质的材料，而不是塑料等传统有机材料。这种被称为生物墨水的材料通常是一种包含液体、细胞和蛋白质的饱和态混合材料（Parker S T, et al., Adv. Mater., 2009, 21, 2411）。
自组装指的是处于无序状态的基本组件在特定局域相互作用的引导下自发形成有组织结构或者图案的过程。研究自组装过程的一个核心目标在于开发出简单而高效的物理或者化学系统，使其中的分子能够通过互相识别的方式可控地组合成更大尺度的有序结构，同时赋予其优异性质或特殊功能（Bromley E, et al., ACS chemical biology,2008, 3, 38）。分子自组装对于材料的制造正变得越来越重要，这是因为它提供了一个优异的平台。在这个平台上，我们能够集成各种具有不同特性的分子，在构建具有高精度和高复杂性材料的同时，实现刺激响应、环境适应、分子识别、运输和催化等各种功能（Mendes AC, et al., Wiley interdisciplinary reviews, 2013, 5, 582 ）。在各种自组装组件中，多肽分子正在引起越来越多的关注。多肽分子结构简单、容易合成、组合多样，还具有多种生物化学（特异性、生物活性、可降解性）和物理（小尺寸、可变构象）特性，逐渐成为了构造复杂自组装纳米结构的重要基本单元（Reches M, et al., Phys. Biol., 2006, 3,S10）。
作为一种典型的自组装多肽分子，联苯丙氨酸（FF） 分子可以在液体环境中自发地组装为强度较高的长纤维（Dinca V, et al., Nano Lett., 2008, 8, 538），这一特点使其具有成为新的生物兼容的三维打印材料的潜质。我们通过使用液滴在高压下的Taylor喷射效应，将试管中的自组装过程迁移到三维打印平台上，使 FF 分子组装为具有特定形貌的三维结构。本发明所提供的利用Taylor喷射效应进行多肽分子三维自组装的方法，加深了生物自组装分子材料的控制，为实现自组装多肽分子的三维成型提供了新的途径。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种利用Taylor喷射效应进行多肽分子三维自组装的装置及其方法，该方法可以实现自组装多肽分子的三维成型。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，包括三维打印平台、同轴喷头、静电高压电源，所述三维打印平台包括基座、导轨组件和竖直移动架，所述基座上设置有导轨组件，导轨组件上固定打印床，所述竖直移动架的一端连接基座，竖直移动架的另一端设置有竖直导轨，竖直导轨上设置有同轴喷头，所述同轴喷头位于打印床的上方，所述导轨组件带动打印床相对于基座水平运动，所述竖直导轨带动同轴喷头相对于打印床竖直运动，所述同轴喷头连接有静电高压电源，所述同轴喷头包括呈内外套装的内液管和外液管。
进一步的，所述导轨组件包括相互垂直且上下叠加设置导轨，所述打印床固定于上层的导轨上，所述导轨均连接有线性马达。
进一步的，所述静电高压电源提供的电压维持在5∼10kV。
进一步的，所述内液管和外液管同轴设置，且外液管下端的出液端为直径逐渐减小的锥形针管形。
进一步的，所述内液管内装有溶解了自组装分子的有机溶剂，所述外液管内装有水。
进一步的，所述打印床接地。
自组装的装置还包括电脑、数码显微镜和高亮度蓝色激光，数码显微镜和高亮度蓝色激光辅助观察并记录同轴喷头处微米尺寸液滴的喷射情况，所述电脑与三维打印平台相接。
一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的方法，同轴喷头的内液管中装载有内层液体，同轴喷头的外液管中装载有外层液体，通过内层液体和外层液体挥发速度与表面张力的差异，使得内层液体始终包裹在外层液体中，并且在内层液体挥发的过程中能够与外层液体充分混合。
进一步的，静电高压电源给同轴喷头施加压力，并且在同轴喷头与打印床间形成高压电场，使得同轴喷头喷出的液体在电场的作用下形成锥形喷射。
进一步的，保持同轴喷头位置不动，并逐渐缓慢增加同轴喷头与打印床距离，在打印床上生长出竖直方向的自组装结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明利用Taylor液锥在同轴针头尖部形成单喷射，从而促进有机溶剂中的自组装多肽分子快速形成长纤维结构。
2. 本发明利用同轴喷头与金属打印床之间的高电压，使得同轴喷头底部的自组装分子能够在电场诱导下形成垂直结构。
附图说明
图1中 a是三维移动平台的示意图，b为同轴针头的示意图，c为同轴针头外接容器的示意图。
图2是搭建的 FF 三维打印实验系统的实物图。
图3是同轴喷涂液滴的 Taylor 单喷射和双喷射。
图4是Taylor喷射出的束流中形成的 FF 自组装结构，其中：a是Taylor 喷射的示意图；b是在喷射流中形成的具有径向生长的线性结构；c是在喷射出的喷雾中生长的发散的球状结构。
图5是同轴喷头与打印床间电场分布示意图。
图6是在电场诱导下形成的直立自组装结构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，包括三维打印平台、同轴喷头、静电高压电源，所述三维打印平台包括基座、导轨组件和竖直移动架，所述基座上设置有导轨组件，所述导轨组件包括相互垂直且上下叠加设置导轨，所述打印床固定于上层的导轨上，所述导轨均连接有线性马达，导轨组件上固定打印床，所述竖直移动架的一端连接基座，竖直移动架的另一端设置有竖直导轨，竖直导轨上设置有同轴喷头，所述同轴喷头位于打印床的上方，所述导轨组件带动打印床相对于基座水平运动，所述竖直导轨带动同轴喷头相对于打印床竖直运动，所述同轴喷头通过金属线连接静电高压电源，所述打印床接地。优选地，静电高压电源提供5∼10kV的范围内的电压，所述打印床接地，所述同轴喷头包括呈内外套装的内液管和外液管，内液管和外液管分别外接装有FF/HFIP混合液的容器和装有水的容器，所述容器内还输入压缩空气，所述容器优选为微量注射泵，所述内液管和外液管同轴设置，且外液管下端的出液端为直径逐渐减小的锥形针管形，具体地讲，具体地讲，两个微量注射泵分别通过导管与内液管和外液管接通，其中，一个微量注射泵中装有含有FF分子的过饱和六氟异丙醇（HFIP）溶液，该微量注射泵通过导管与内液管接通，另一个微量注射泵中装有去离子水，该微量注射泵通过导管与外液管接通。
自组装的装置还包括电脑、数码显微镜和高亮度蓝色激光，数码显微镜和高亮度蓝色激光辅助观察并记录同轴喷头处微米尺寸液滴的喷射情况，如图3所示，同轴喷头液滴的 Taylor 单喷射和双喷射，为了突出液滴的分布情况，拍摄时使用了蓝色激光照射，但是附图取色后无法显示出具体颜色，原图以蓝色为背景，上面显示出白色的Taylor 单喷射和双喷射。所述电脑与三维打印平台相接。还使用了数码显微镜和高亮度蓝色激光来辅助观察并记录同轴喷头处微米尺寸液滴的喷射情况
一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的方法，同轴喷头的内液管中装载有内层液体，同轴喷头的外液管中装载有外层液体，通过内层液体和外层液体挥发速度与表面张力的差异，使得内层液体始终包裹在外层液体中，并且在其挥发的过程中能够与外层液体充分混合，静电高压电源给同轴喷头施加压力，并且在同轴喷头与打印床间形成高压电场，使得同轴喷头喷出的液体在电场的作用下形成锥形喷射。施加电压的大小需根据针头与打印床的距离以及液体的性质调整，以使得液体锥尖部恰好接触打印床而又不会发生不稳定的双喷射，保持同轴喷头位置不动，并逐渐缓慢增加同轴喷头与打印床距离，在打印床上生长出竖直方向的自组装结构。
一种利用Taylor喷射效应进行多肽分子三维自组装的方法，采用的装置包括三维打印平台（图1a）和带自动供液系统的同轴喷头（图1b）。同轴喷头安装在三维打印平台上，并与高压直流电源连接，而打印床接地。这一装置的工作方式是：当需要打印特定形状的立体结构时，计算机程序将结构的三维图像转化为同轴喷头的移动轨迹，电脑控制三维打印平台上的同轴喷头按预设轨迹移动（喷头是相对运动，实际运动是依靠导轨组件和竖直导轨完成）。与此同时，供液系统以不同的速率将含有FF分子的过饱和六氟异丙醇（HFIP）溶液与水分别输送到喷头内外部喷口，而喷头上的高压电场会使喷口处的液滴混合并发生Taylor喷射，使混合溶液形成束流喷射到经过加热的打印床上，液体受热快速干燥之后，在喷射的束流中组装成的线状结构便会沉积到打印床上的特定位置。随着喷头的移动，这些线状结构会按预先设计的轨迹堆积，最终形成完整的三维结构。图2展示了这一装置的实际装置组成图。实验中使用的三维打印平台为RepRap开源三维打印机，此外，还使用了数码显微镜和高亮度蓝色激光来辅助观察并记录同轴喷头处微米尺寸液滴的喷射情况。
这一方法的核心过程是，FF/ HFIP混合溶液在同轴喷头喷射出的束流内的自组装，能否实现有效的连续打印取决于该自组装过程是否快速、精细、可控。虽然同轴喷头的喷口内外径最小可以达到50μm左右，但是在这一尺度的空间大小下，FF分子仍然很难在有限的喷射时间内通过自组装过程形成连续的纤维结构。因此，我们通过在喷头和打印床之间施加高压电场，使喷口处的液滴发生Taylor喷射，从而将液流的直径进一步缩减，加快结构形成速度。电压需要维持在5∼10kV的范围内。因为，低于5kV时，液滴无法发生喷射，而高于10kV时，液滴处的Taylor单喷射可能会演变为不稳定的双喷射或者多喷射（图3），反而会阻碍组装结构的形成。
喷射出的束流在离开喷口的初期会维持为一段细流，而远离喷口以后，受发散电场的影响，液体会分解为雾状（图4a）。因此，我们需要小心地控制喷口与打印床之间的距离，防止弥散的液滴喷射到打印床上已经沉积的结构上，使其发生二次溶解。在喷射出的细液流中，FF分子会组装成线状结构，但是其四周同时生长出了“毛刺”。这主要是由于打印床上沉积的结构吸附了部分残存溶液，在之后的溶液蒸发过程中，发生了二次组装，使得纤维四周重新生长出其它结构。而在雾状液滴区域，每个液滴中残存的FF分子也会发生自组装，形成发散的球状结构（图4b），这些结构会随机地分散在打印床上，影响规则结构的形成。消除这些不利于结构形状控制的次级组装，需要对自组装的速度、束流的喷射速度、以及溶液的蒸发速度都实现精确的协同控制，这依赖高程度的软硬件协同配合。
所施加的电场除了通过形成Taylor液锥的方式来促进自组装结构的形成之外，还可以在同轴喷头的尖部与金属打印床之间形成具有特定分布的电场，这一电场在针尖与打印床之间呈竖直向上分布，因而能够诱导FF分子形成直立的立体结构（图6）。这一竖直向上的结构可与前文所述的水平方向纤维结构一起，使得FF分子自组装为复杂的三维构型。
本发明涉及结合三维打印平台与液体在高压下的Taylor喷射效应来连续制备三维自组装多肽（FF）有机结构的方法，利用连接高压直流电源的同轴喷头，使得FF/HFIP（六氟异丙醇）混合溶液与水在喷出时形成双层Taylor液锥。在该锥形液体尖部，液体迅速挥发，使得FF分子与水分子组装为有序长纤维结构。该长纤维结构可随喷头的移动可控的沉积在打印平台打印床上。保持喷头不动，在高强度电场的引导下，FF分子会发生竖直方向的自组装，形成立体结构。在液体喷射的过程中，使用精密供液系统以使得液锥尖部的FF分子得到及时、充分的供应，保证自组装过程的连续进行。
实施例1：利用Taylor喷射效应制备FF分子自组装长纤维结构。
将100 mg 粉末状FF分子溶解于200 mL HFIP有机溶剂中，并超声振荡，使FF分子团簇充分分散。将制备的溶液与200 mL去离子水分别连接到同轴喷头的内外喷口，在喷头上连接金属线，通入10 kV静电高压，同时金属打印床接地。然后，通过精密加液装置（微量注射泵）以1 mL/min的速度缓慢喷射液体。喷射出的液体在喷头Taylor液锥处快速挥发，其中的FF分子也发生了自组装，形成了长纤维结构。该结构能够随着喷头的移动按照预定轨迹沉积在打印床上。
实施例2 ：利用同轴喷头的电场诱导制备直立的自组装结构。
与实施例1中操作步骤相似，本例在液滴喷射过程中保持一段时间同轴喷头不动，同时增大同轴喷头电压至20 kV。过一段时间后，移开同轴喷头，可在同轴喷头底部基板上看到直立的自组装结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：包括三维打印平台、同轴喷头、静电高压电源，所述三维打印平台包括基座、导轨组件和竖直移动架，所述基座上设置有导轨组件，导轨组件上固定打印床，所述竖直移动架的一端连接基座，竖直移动架的另一端设置有竖直导轨，竖直导轨上设置有同轴喷头，所述同轴喷头位于打印床的上方，所述导轨组件带动打印床相对于基座水平运动，所述竖直导轨带动同轴喷头相对于打印床竖直运动，所述同轴喷头连接有静电高压电源，所述同轴喷头包括呈内外套装的内液管和外液管。
2.根据权利要求1所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：所述导轨组件包括相互垂直且上下叠加设置导轨，所述打印床固定于上层的导轨上，所述导轨均连接有线性马达。
3.根据权利要求1所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：所述静电高压电源提供的电压维持在5∼10kV。
4.根据权利要求1所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：所述内液管和外液管同轴设置，且外液管下端的出液端为直径逐渐减小的锥形针管形。
5.根据权利要求1所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：所述内液管内装有溶解了自组装分子的有机溶剂，所述外液管内装有水。
6.根据权利要求1所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：所述打印床接地。
7.根据权利要求1所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的装置，其特征在于：还包括电脑、数码显微镜和高亮度蓝色激光，数码显微镜和高亮度蓝色激光辅助观察并记录同轴喷头处微米尺寸液滴的喷射情况，所述电脑与三维打印平台相接。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的装置的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的方法，其特征在于，同轴喷头的内液管中装载有内层液体，同轴喷头的外液管中装载有外层液体，通过内层液体和外层液体挥发速度与表面张力的差异，使得内层液体始终包裹在外层液体中，并且在内层液体挥发的过程中能够与外层液体充分混合。
9.根据权利要求8所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的方法，其特征在于，静电高压电源给同轴喷头施加压力，并且在同轴喷头与打印床间形成高压电场，使得同轴喷头喷出的液体在电场的作用下形成锥形喷射。
10.根据权利要求8所述的利用Taylor喷射效应构造双层液锥进行三维连续分子自组装的方法，其特征在于，保持同轴喷头位置不动，并逐渐缓慢增加同轴喷头与打印床距离，在打印床上生长出竖直方向的自组装结构。
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