(A, b) mikromotor yapının 3D modeli. Renkler farklı bileşen parçalarını vurgular: rampa (kırmızı), eksen (mavi) ve rotor (yeşil). Kesikli beyaz çizgi şematik olarak rampa yapısı tarafından bir rotor mikrokamberine yönlendirilen bir hücrenin yörüngesini tasvir etmektedir. (C, d) 3D mikromotorların taramalı elektron mikroskop görüntüleri. (C) dört mikromotor arası bağlantıyı uzaktan gösterir. (D) mikrokanalların yakın bir görüntüsünü gösterir.
Sentetik bileşenler, hücrelerin uyguladığı torka maksimum katkıda bulunacak şekilde mikro bakterilerin bir dizisine bireysel bakterileri yakalayabilen dönen bir birime sahip ( 3D ) birbirine bağlı yapılardan oluşur. Bakteriyel hücreler, yüzme hızını optik olarak kontrol etmeye yarayan hafif tahrikli bir proton pompası görevi gören düz yüzücülerdir. Mekansal bir ışık modülatörü kullanarak, dönüş hızlarının dinamik olarak kontrol edilmesine olanak tanıyan ayarlanabilir ışık yoğunlukları ile farklı motarlar geliştirilebilir. Gerçek zamanlı bir geribildirim kontrol döngüsü uygulayarak, bir dizi mikromotoru, öngörülen bir açısal hızla eş zamanlı olarak döndürmeye de komut verebiliriz.
Burada, sabit bir eksen etrafında dönmek için sınırlandırılmış bir rotor üzerinde dengeli ve büyük bir tork veren hassas konfigürasyonlara özerk olarak bakteri yakalayan kompozit 3D yapılar oluşturmak için iki foton polimerizasyonu kullanılıyor. Bu tür yapıların büyük diziler halinde imal edilebileceğini ve bağımsız olarak yüksek ve düz açısal bir hızda döndüğünü gösteriyoruz. Buna ek olarak, hafif tahrikli bir proton pompası düzgün yüzücü bir E. coli suşu kullanarak, mikromotorların hızının aydınlatma ışığının yoğunluğu boyunca kontrol edilebileceğini gösteriyoruz. Bağımsız mikromotorların hızını, ışık düzeylerini bağımsız olarak bir mekansal ışık modülatörüyle ayarlayarak kontrol edebilirsiniz. Dahası, gerçek zamanlı bir geribildirim kontrol döngüsü aracılığıyla, bir dizi mikromotora, öngörülen bir açısal hızla eş zamanlı olarak dönmesini sağlıyoruz.
3D mikro motor tasarımı
Üstteki şekilde, mikromotor tasarımımızın bilgisayar modelini göstermektedir. Yapı üç bileşenli parçaya sahiptir. Dönen birim (yeşil renkte görünür) dış etken yarıçapı 7.6 μm ve kalınlığı 3.7 μm’dir. Dış kenarı 15 mikrosaniyeye sahiptir ve her biri tek bir hücre gövdesini barındırabilir. Tek bir rotorun taşıyabileceği bölmelerin sayısı, her odanın bir hücreye uyacak kadar geniş olması şartıyla sınırlandırılmıştır. Bu nedenle, odaların sayısı, radyal olarak yönlendirildiklerinde maksimumdur, ancak bu konfigürasyon sıfır torka neden olacaktır. Odaları θ açı ile eğersek, her bir hücre tarafından uygulanan tork, sinθ ile artacak ve odacık sayısı cosθ olarak azalacaktır. Sonuç olarak, toplam tork, sinθcosθ olarak gidecek ve tasarımımızda seçilen gerçek açı olan θ = 45 ° ‘de maksimuma sahip olacaktı. İmalat süresini azaltmak için, rotorun dış halkası, dört radyal çubukla, mavi ile gösterilen dikey bir eksen etrafında dönmek için serbest olan bir merkezi halkaya bağlanır.
Eksenin üst kısmı, rotor kaçışını önlemek için daha geniş bir enine kesite sahiptir. Eksendeki bir alt platform, rotoru ~ 3 μm’lik bir minimum yükseklikte tutar; böylece katı alt tabaka ile hidrodinamik sürtünmeyi azaltır. Üstelik, yükseltilmiş pozisyon, rotoru, alt tabaka yüzeyi 15,16,17 üzerinde oluşan yüksek bakteri konsantrasyon katmanından uzak tutar. Orada, serbest yüzen bakterileri ile rastgele çarpışmalar, rotorun çalışmasını bozarak daha yavaş ve daha kararlı hale getirir. Rotor tarafından bakterilerin tutulmasını kolaylaştırmak için, alt yüzeyde yüzen bakteri toplayan ve bunların yörüngelerini rotorun mikro hücrelerine doğru yönlendiren radyal bir rampa yapısı (kırmızı bileşen) yaptık. Bununla birlikte, çıplak bir rampa ile, bakterilerin yalnızca bir kısmı, eğilmiş mikro odacıklara girmek için doğru yönde ulaşan yörüngeler boyunca gönderilirdi. Bu sorunun üstesinden gelmek için rampaya bir dizi engel koyduk. Gelen bakteriler bariyer boyunca hizaya gelecek ve rampayı, rotorların kenarını, mikrokanalların yönüne uyan bir açı ile kesme ihtimali olan bir yörüngede bırakacak . Tüm deneyler sabit bir itme ile boş bir deliğe stabil olarak sıkışabilen devrilmez suşlarla (pürüzsüz yüzücüler) gerçekleştirildi. Mikroskop kaplamalarının üstünde SU-8 fotoresistinden mikromotor üretmek için iki foton polimerizasyon olan 18,19 ‘u kullandık. Gerçek yapıların ayrıntıları, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüldüğü gibi Şekil 2’de gösterilmektedir. 1c, d).
(A) 36 dönen mikromotorun parlak alanlı mikroskopik görüntüsü (Ek Film 3). Ölçek çubuğu 20 μm’dir. (B, c) Dönel dinamiği karakterize etmek için kullanılan 16 rotor dizisi (Şekil 4). Hücre organları, mikrokanalların yüksek doluluk oranını gösteren flüoresanda açıkça görülebilir (c). Ölçek çubuğu hem (b, c) için 20 μm’dir. (D, e) b, c’deki rotorlardan birinde büyütülmüş görüntü. Hücre cisimcikleri, örn., Kesikli bir çizgi olarak gösterilen elipsoidal bir şekil ile donatılmıştır. Kesintisiz çizgiler kol kolunu ölçmek için kullanılan yapıyı göstermektedir. Ölçek çubuğu hem d hem de e için 5 μm’dir.
Kaynak:Tıkla
Bu makaleyi 4 dakikada okuyabilirsiniz.
Moleküler Biyoloji ve Genetik
