Hurtig flydende emballage:Omsluttende vandsilhuetter i 3-D-polymermembraner til eksperimenter med lab-in-a-drop

Evnen til at indeslutte vand i et lukket rum uden direkte at manipulere det eller bruge stive beholdere er en attraktiv mulighed. I en nylig undersøgelse, Sara Coppola og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for biomaterialer, Intelligente systemer, Industriel produktionsteknik og avancerede biomaterialer til sundhedspleje i Italien, foreslog en vandbaseret bottom-up tilgang til indkapsling af let, kortlivede vandsilhuetter i en skræddersyet adaptiv dragt.

I arbejdet, de brugte en biokompatibel polymer, der kunne samle sig selv med hidtil usete frihedsgrader på vandoverfladen for at producere en tynd membran. De specialdesignede polymerfilmen som en ekstern beholder med en flydende kerne eller som et fritstående lag. Forskerne karakteriserede membranens fysiske egenskaber og morfologi og foreslog en række anvendelser for fænomenet fra nanoskala til makroskala. Processen kunne indkapsle celler eller mikroorganismer med succes uden skade, åbner vejen til en banebrydende tilgang, der kan anvendes til organ-on-a-chip og lab-in-a-drop-eksperimenter. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Muligheden for at isolere, at konstruere og forme materialer til 2-D eller 3-D objekter fra nanometer til mikroskala via bottom-up engineering får stadig større betydning inden for materialevidenskab. At forstå materialets fysik og kemi vil tillade en række forskellige anvendelser inden for mikroelektronik, levering af medicin, retsmedicin, arkæologi og paleontologi og rumforskning. Materialeforskere bruger en række forskellige tekniske metoder til mikrofabrikation, herunder to-foton-polymerisering, blød interferens litografi, replika støbning og selvfoldende polymerer for at forme og isolere materialet af interesse. Imidlertid, de fleste materialeteknikprotokoller kræver kemiske og fysiske forbehandlinger for at opnå de ønskede slutegenskaber.

I modsætning til den konventionelle metode til at bruge faste forme til at skabe mikro- og nanopatroonmaterialer, forskere fokuserer nu på luft-væske eller væske-væske-grænsefladen for at skabe skaller af velordnede nanopartikler eller krystaller til at konstruere mikro- og nanostrukturerede polymere membraner. Den største ulempe ved teknikken er dannelsen af ​​en polymer dråbe nedsænket i vand i stedet for en fritstående polymersuite. I det nuværende arbejde, Coppola et al. startede med den eksisterende tilgang med det formål at udvide eksperimentet til polymerindpakningsvæske, uorganiske og organiske mikroobjekter eller mikrostrukturerede overflader og fjern den flydende kerne efterfabrikation.

Forskerne foreslog en eksperimentel tilgang i det nuværende arbejde for direkte at forme polymermembraner og indkapsle mikrokropper derefter. Processen bestod af selvsamling af en biokompatibel polymer over vandoverfladen med smidighed og reproducerbarhed. Coppola et al. valgte poly (mælke- co -glykolsyre) (PLGA) på grund af dets afstembare struktur, narkotika frigivelse effektivitet, høj biosikkerhed og biokompatibilitet. De tillod polymerfilmen at være den ydre beholder af en flydende kerne og foreslået at bruge teknikken på mikropiller, organiske og uorganiske mikroobjekter og kolloide partikler under milde forhold, til at rumme mikroorganismer og celler inde i membranerne derefter.

I forsøgene, Coppola et al. opløste en dråbe af en biokompatibel polymer opløsning, såsom PLGA i dimethylcarbonat (DMC) og anbragte den på overfladen af ​​en vanddråbe for øjeblikkeligt at danne en ikke -porøs film. Processen tillod polymeropløsningen at vikle den frie vandoverflade, oven på dråben og opret en ny grænseflade. Polymerfilmen strakte sig over den frie vandige overflade for at erhverve væskens form og struktur, som blev brugt som en 2-D eller 3-D skabelon. De testede derefter fremstillingsprocessen på forskellige væsker såsom cellekulturmedier, phosphatbufret saltvand og andre bufferopløsninger indeholdende en vandkomponent.

De skabte en polymer film selv under dynamiske og ustabile forhold - f.eks. på en dråbe, der står på et glasskred og en dråbe, der flyder fra en nål. For at demonstrere total indkapsling af væskemængden, forskerne dannede to separate sessile dråber på teflon -diaset med en omsluttet af membranen. Ved at vippe overfladen, den frie vanddråbe bevægede sig langs substratet, mens den membranbelagte dråbe forblev uaftagelig og forankret i glasset. I sin virkningsmekanisme, filmen dannede sig straks ved kontakt med vand, og når opløsningsmidlet fordampede sammen med vand, den resterende polymer bevarede en 3D-struktur.

Filmen kollapsede ikke under atmosfærisk tryk, og membranen fungerede som et ydre lag, der ligner en polymer skal på væskedråben. Forskerne brugte en række forskellige membrankarakteriseringsmetoder, herunder scanningelektronmikroskopi (SEM), vandkontaktvinkel og Youngs modulmålinger. SEM -billederne afslørede en ikke -porøs symmetrisk struktur præget af en homogen overflade og tykkelse. Når de målte vandkontaktvinklen på membranen, resultaterne afslørede mild hydrofilicitet (vandelskende) af polymererne. Forskerne undersøgte de mekaniske egenskaber ved PLGA -membranen og beregnede iltgennemtrængelighed og vanddampgennemtrængelighed. Membranen viste en meget høj permeabilitet for ilt, hvilket er en vigtig parameter for biomedicinske applikationer.

Forskerne brugte materialet som en ekstern belægning under lab-in-a-drop eksperimenter til at danne nye metoder til realtidsobservationer i 3D. Som et princip-bevis, de studerede adfærden hos modelorganismen Caenohabditis elegans i polymerboblen. For det, de anbragte mikroorganismen (MO) i en vandopløsning og viklede PLGA -membranen omkring dråben væske for at vise øjeblikkelig ophør af MO -bevægelse. Mens C. elegans holdt sig til vand-PLGA-membranen, iltgennemstrømningen fortsatte på grund af membranpermeabilitet for deres overlevelse. Den pludselige ændring af MO -adfærd vendte om ved membranfjernelse for at genvinde sædvanlig motilitet. Processen tillod forskerne at observere MO'erne uden at administrere skadelige lægemidler for at forhindre deres bevægelse. Coppola et al. foreslå yderligere eksperimenter for at forstå organismernes adfærd inden for de minimale polymerfald.

De testede derefter muligheden for at opretholde fænomenet i nærvær af komplekse konturer eller forhindringer og på hydrogelmaterialer. Ved hjælp af mikropillar-arrays observerede forskerne polymermembranen for at omslutte det underliggende mikropatron og producere top-og-dalformede polymerfilm med sammensatte bump. Sådanne funktionaliteter vil tillade Coppola et al. at designe celledyrkende substrater, stilladser til vævsteknik og lægemiddelleveringssystemer ved hjælp af polymersystemerne.

Tilsvarende når de testede teknikken med hydrogelmaterialer ved simpelthen at dosere et polymerfald eller sprøjte polymeren over en roterende hydrogelcylinder, de var i stand til at danne en kontinuerlig polymerfilm. Ved hjælp af metoden, de producerede polymerfilm med forskellige forme i form af mikrokuber, rhombus og cylindre til forskellige anvendelser.

Forskerne brugte polymer-hydrogelkonstruktionerne som et stillads til cellekultureksperimenter til at observere cellevækst på forskellige former, herunder mikrosfære-terninger og polymermønstre. Efter 24 timers dyrkning af humane mesenkymale stamceller (hMSC'er) i PLGA, forskerne visualiserede cytoskelet og kerner for at vise cellelegemsforlængelse på polymerfilmen; hvilket indikerer tilstrækkelig celleadhærens. Den foreslåede teknik skadede ikke cellekulturer eller mikroorganismer til at danne en ny og enkel metode til at konstruere polymerfilm med potentiel skalerbarhed for mikrofluidiske organ-på-chips.

På denne måde, Coppola et al. udviklet en miljøvenlig, omkostningseffektiv og vandbaseret bottom-up engineering tilgang til at tillade en biopolymer at samle sig selv på en dråbe vand og på andre 3D-skabeloner. Forskerne foreslår at bruge materialerne til en række anvendelser inden for biomedicin til sårheling, som lab-in-a-drop og på lab-on-a-chip-enheder. De forestiller sig optimerede funktionaliteter af den polymere film med halvleder -nanopartikler eller kvantepunkter for at åbne nye ruter inden for klinisk fototerapi i levende systemer i fremtiden.

© 2019 Science X Network