Fysikere udvikler selvkørende dråber, der kan fungere som programmerbare mikrobærere

Inden for biovidenskaben, forskere arbejder på at injicere medicin og andre molekyler ved hjælp af små transportkøretøjer. Forskere ved Saarland University og University of Barcelona har i et modelsystem vist, at små emulsionsdråber kan bruges som smarte bærere. De har udviklet en metode til fremstilling af selvkørende væskedråber, der kan levere rumligt og tidsmæssigt kontrolleret levering af en molekylær belastning. Undersøgelsen blev offentliggjort i Kommunikationsfysik .

"Brug af dråber som mikrobærere i biomedicin, for eksempel, er et mål, der har været forfulgt i nogen tid, "siger Ralf Seemann, professor i eksperimentel fysik ved University of Saarland. Imidlertid, disse dråber kunne kun bevæge sig passivt gennem kroppen, for eksempel, via blodbanen. For deres nuværende undersøgelse af aktive "mikro-svømmere, "fysikerne fra Saarbrücken eksperimenterede med et modelsystem, der udviklede sig fra enfasede emulsionsdråber til såkaldte Janus-dråber. Forskerne fandt ud af, at de aktivt kan bevæge sig og også fungere som en" smart "transportør til transport og deponering af en last.

Janus-dråber består af to dele:en førende vandrig dråbe og en efterfølgende ethanol- og tensidrig dråbe. Årsagen til Janus -dråbernes særlige evner ligger i deres dannelse - de gennemgår i alt tre udviklingsstadier, hvor forskellige interaktioner med miljøet forekommer. Forskerne var i stand til at bruge disse udviklingstrin til at "programmere" dråberne som aktive bærere.

"Udgangspunktet er homogene dråber, som er fremstillet af en blanding af vand-ethanol. Disse dråber svømmer i en oliefase, hvor et overfladeaktivt stof opløses, "forklarer Jean-Baptiste Fleury, en gruppeleder på afdelingen. I den første udviklingsfase, ethanol forlader dråben og opløses i den omgivende oliefase. Dette resulterer i forskellige spændinger på dråbernes overflade, som forårsager den såkaldte Marangoni-strømning på overfladen såvel som i dråben.

"Med Marangoni -effekten, væsker vandrer fra et område med lav overfladespænding til et område med høj overfladespænding, "forklarer Martin Brinkmann, som også er en del af forskerholdet. "I den første fase, Marangoni -strømmen skubber partiklen fremad - en aktiv bevægelse forårsaget af det stadige tab af ethanol ind i oliefasen. "

På samme tid, overfladeaktive stoffer fra oliefasen vandrer ind i dråben, fordi de fortrinsvis ønsker at omgive sig med den ethanol, der er indeholdt deri. Endelig, vand og ethanol segregerer, og små dråber af blanding af ethanol-overfladeaktivt stof dannes i dråben, som hurtigt smelter sammen, og på grund af strømmen inden i dråben, ophobes i bagenden. I slutningen af ​​trin to, en karakteristisk Janus -dråbe er dannet. I den følgende tredje fase, overfladeaktive stoffer på overfladen af ​​den vandrige dråbe tiltrækkes af bagsiden, ethanolrig dråbe, og overfladespændingen på den bageste del af overfladen øges. Denne gradient får væsken på overfladen af ​​det forreste fald til at strømme i retning af den højere overfladespænding, og sætter dermed hele Janus -faldet i gang. "I løbet af deres dannelse Janus -dråberne udviser specifikke drivmekanismer; i øvrigt, de resulterer i forskellige flowfelter i de respektive faser, "siger Dr. Brinkmann.

Forskerne fra Saarbrücken har præcist undersøgt bevægelsen af ​​disse Janus -dråber. "Vi kan observere, hvordan de bevæger sig i den eksperimentelle celle under deres udvikling, som varer cirka 10 til 15 minutter, og hvordan de interagerer forskelligt med forhindringer, afhængigt af deres udviklingstrin, "forklarer Dr. Fleury. Længden af ​​de enkelte udviklingsstadier kan styres af den indledende ethanolkoncentration i dråben og dens størrelse. For at teste deres evner som bærere, dråberne i forsøget blev også fyldt med DNA -molekyler som last, som ophobes i den ethanolrige fase.

"Vores transportør kan selektivt gå langs forhindringer i en bestemt geometri og overfladetilstand og også levere sin last målrettet, "siger prof. Seemann, opsummerer resultaterne af hans arbejdsgruppe. Dermed, undersøgelsen beskriver et første, men enkelt eksempel på en programmerbar aktiv transportør, der er i stand til at udføre rumligt og tidsmæssigt kontrolleret fragtlevering.