Forskere udvikler blid, mikroskopiske hænder til at studere små, bløde materialer

Håndtering meget blød, sarte genstande uden at beskadige dem er hårdt nok med menneskelige hænder, endsige at gøre det i mikroskopisk skala med laboratorieinstrumenter. Tre nye undersøgelser viser, hvordan forskere har finpudset en teknik til håndtering af små, bløde partikler ved hjælp af præcist kontrollerede væskestrømme, der fungerer som skånsomme mikroskopiske hænder. Teknikken giver forskere mulighed for at teste de fysiske grænser for disse bløde partikler og de ting, der er fremstillet af dem - lige fra biologiske væv til skyllemiddel.

De tre undersøgelser, ledet af University of Illinois 'Charles Schroeder, Ray and Beverly Mentzer fakultetslærer i kemisk og biomolekylær teknik, detaljer om teknologien og anvendelsen af ​​Stokes -fælden - en metode til manipulation af små partikler ved hjælp af kun væskestrøm. I den nyeste undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Soft Matter , holdet brugte Stokes-fælden til at studere vesikels dynamik-squishy væskefyldte partikler, der er fjernede versioner af celler og har direkte relevans for biologiske systemer, sagde forskerne. Dette følger op på to nylige undersøgelser i tidsskrifterne Fysisk gennemgangsvæske og Fysisk gennemgang anvendt der udvidede effekten af ​​fangstmetoden.

"Der findes flere andre teknikker til manipulation af små partikler, såsom den meget udbredte og nobelprisvindende optiske fældemetode, der bruger omhyggeligt justerede lasere til at fange partikler, "sagde Dinesh Kumar, en kemisk og biomolekylær ingeniørstuderende og hovedforfatter til to af undersøgelserne. "Stokes -fælden giver flere fordele i forhold til andre metoder, herunder let at skalere op for at studere flere partikler og evnen til at kontrollere orientering og baner af forskellige formpartikler, såsom stænger eller kugler. "

Bevæbnet med den forbedrede Stokes trap -teknologi, teamet satte sig for at forstå dynamikken i lipidvesikler, når de er langt fra deres normale ligevægtstilstand.

"Vi ville forstå, hvad der sker med disse partikler, når de trækkes på i et stærkt flow, "Sagde Schroeder." I virkelige applikationer, disse materialer strækkes, når de interagerer med hinanden; de behandles, injiceres og konstant undergår belastninger, der fører til deformation. Hvordan de handler, når de deformeres, har vigtige konsekvenser for deres anvendelse, langsigtet stabilitet og forarbejdbarhed. "

"Vi fandt ud af, at når vesikler deformeres i et stærkt flow, de strækker sig i en af ​​tre forskellige former - symmetrisk håndvægt, asymmetrisk håndvægt eller ellipsoide form, "Sagde Kumar." Vi observerede, at disse formovergange er uafhængige af viskositetsforskellen mellem væskerne mellem vesikels indre og ydre. Dette viser, at Stokes -fælden er en effektiv måde at måle strækningsdynamik af bløde materialer i opløsning og langt fra ligevægt. "

Med deres nye data, teamet var i stand til at producere et fasediagram, der kan bruges af forskere til at bestemme, hvordan visse typer væskestrøm vil påvirke deformation og, ultimativt, de fysiske egenskaber ved bløde partikler, når de trækkes fra forskellige strømningsretninger.

"For eksempel, produkter som skyllemiddel - der består af vesikelsuspensioner - fungerer ikke korrekt, når de klumper sammen, "Sagde Kumar." Ved hjælp af Stokes -fælden, vi kan finde ud af, hvilke typer partikelinteraktioner der får vesiklerne til at aggregeres og derefter designe et materiale, der fungerer bedre. "

Teknikken er i øjeblikket begrænset af størrelsen af ​​partikler, som Stokes -fælden kan fange og håndtere, sagde forskerne. De arbejder med partikler, der generelt er større end 100 nanometer i diameter, men for at denne teknologi kan anvendes mere direkte på biologiske systemer, de bliver nødt til at kunne fange partikler, der er 10 til 20 nanometer i diameter - eller endda ned til et enkelt protein.

Teamet arbejder i øjeblikket på at fange mindre partikler og samarbejder med kolleger ved Stanford University om at anvende Stokes -fælden til at studere membranproteiner.