Komplekse koacervat-dråber som modelmateriale til undersøgelse af biologiske materialers elektrodynamiske respons

Manipulering af faste partikler på få mikrometer i størrelse ved hjælp af et elektrisk felt har været af stor interesse for fysikere. Disse kontrollerbare partikler kan samles i dynamiske kæder, der effektivt kan kontrollere strømmen af ​​væsker i tynde rør som kapillærer. Udskiftning af disse faste partikler med flydende dråber ville give mulighed for hidtil uopnåelige elektroreologiske anvendelser inden for bioteknologi, da flydende dråber kan lagre og udnytte forskellige biomolekyler såsom enzymer. Indtil nu har det ikke været muligt at bruge væskedråber til elektroreologi, da de har tendens til at smelte sammen eller deformeres, hvilket gør dem ineffektive som elektroreologiske væsker.

Ny forskning ledet af University of Houston Cullen College of Engineering* i samarbejde med National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Chicago, har vist en enkel vej til stabilisering af polyelektrolyt-koacervat-dråber, der ikke smelter sammen eller deformeres under en elektrisk felt. Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Aktiveret af den høje polariserbarhed og resterende overfladeladning, kan disse "stabiliserede" dråber styres i et vandigt miljø ved hjælp af en lavspændingskilde, f.eks. et 9V batteri. Kendt som coacervater, indeholder disse dråber ladede polymerer, der muliggør indkapsling af biologisk relevante ladede arter såsom proteiner og gener. De har således potentialet til at transportere og levere en række gods, der er nyttige i fremstillings- og medicinindustrien.

Koacervat-dråber dannes, når to modsat ladede polymerer, også kaldet polyelektrolytter, samles sammen til en kondensattilstand i en saltopløsning. Mere specifikt omdannes opløsningen ofte hurtigt til et tofaset system, hvor de polymerrige coacervat-dråber er suspenderet i den omgivende opløsning. Dråberne er på størrelse med titusvis af mikrometer, omtrent på størrelse med typiske biologiske celler. Faktisk har disse dråber vist sig at udføre forskellige biologisk relevante reaktioner. Imidlertid har koacervat-dråber en stor ulempe - de smelter sammen for at danne større og større dråber ved at samles, indtil alle dråberne smelter sammen og danner et makroskopisk bundfældet lag på grund af bundfældning ved tyngdekraften.

"Tænk på at blande en ske olivenolie i en kop vand og ryste den kraftigt. I starten vil du se små dråber, der gør blandingen uklar, men med tiden smelter disse dråber sammen og danner separate olie- og vandlag. Ligeledes kan dråbebioreaktorer eller elektroreologiske væsker lavet af koacervater svigter over tid, når dråberne smelter sammen og danner lag," sagde Alamgir Karim, professor i Dow Chair og Welch Foundation ved University of Houston, der ledede forskningsprojektet, i samarbejde med Jack F. Douglas, en lang -tidskollega og polymerfysiker ved NIST, med indsigt leveret af polyelektrolyt-koacervatekspert, Matthew Tirrell, dekanen for Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago.

"Forskere løste problemet med olie-dråber-sammensmeltning ved at tilføje overfladeaktive molekyler, der går til grænsefladen mellem oliedråber, hvilket forhindrer oliedråberne i at smelte sammen," sagde Douglas. Han fortsatte:"For nylig blev lignende teknologi anvendt til at coacervate dråber, hvor specialiserede polymerkæder blev brugt til at belægge dråbegrænsefladen, hvilket effektivt forhindrede deres koalescens. Sådanne molekylære belægninger forbyder imidlertid materialetransport ind og ud af dråberne, hvilket gør dem ineffektive for bioreaktorer. applikationer."

"Jeg ønskede at stabilisere disse dråber uden at introducere noget ekstra molekyle," sagde Aman Agrawal, kandidatstuderende i Karim Research Group, der leder projektet. Efter måneders forskning fandt Agrawal ud af, at "når koacervat-dråber overføres fra deres oprindelige saltopløsning til destilleret vand, har deres grænseflade en tendens til at opnå en stærk modstandsdygtighed mod sammensmeltning." Forskerne foreslår, at denne stabilitet af dråber skyldes et tab af ioner fra dråbegrænsefladen til det destillerede vand drevet af en brat ændring i ionkoncentrationen. Agrawal studerede derefter disse stabile dråber under et elektrisk felt og demonstrerede, hvordan man danner dråbekæder under et vekselstrømsfelt og derefter flytter dem rundt med et jævnstrømsfelt.

"Denne nye udvikling inden for coacervatområdet," sagde Tirrell, "har potentielle anvendelser inden for lægemiddellevering og andre indkapslingsteknologier. I grundlæggende biologi kan denne mekanisme forklare, hvorfor intracellulære organeller og biologiske kondensater og præbiotiske protoceller (mulige midler i oprindelsen af liv) har den stabilitet, som de gør." Nylige målinger har vist, at celler af forskellige typer kan manipuleres temmelig på samme måde som de stabiliserede coacervat-dråber med anvendelse af elektriske felter, hvilket tyder på, at polariserbarheden af ​​coacervat-dråberne kan have betydelige konsekvenser for manipulation af adskillige biologiske materialer sammensat af ladede polymerer. + Udforsk yderligere

Ny metode til tidlig sygdomsdetektion ved hjælp af DNA-dråber