Forskere skaber pansrede emulsioner som små reagensglas til parallelle reaktioner

Hvis du nogensinde har rystet en salatdressingsflaske blandet med olie og eddike, du har midlertidigt oprettet en emulsion. Imidlertid, denne tilstand er midlertidig, og de to komponenter skilles snart ad. Men, Hvad hvis du kunne skabe en stabil emulsion, hvor alle de små dråber forbliver i en ensartet størrelse i lang tid? UCLA bioingeniører og matematikere har gjort netop det, opfinde de første 'pansrede' emulsioner nogensinde.

Rustningen kommer i form af bittesmå bløde U-formede skåle, omkring en halv millimeter i længden. Med et hydrofobt (vandafvisende) ydre og hydrofilt (vandtiltrækkende) indre, hver U-formet partikel fanger en væskedråbe, hvilket resulterer i en emulsion, der forbliver intakt efter blanding. Teknologien åbner nye veje inden for farmaceutisk og kemisk produktion, biologisk forskning og diagnostik.

En undersøgelse, der beskriver forskningen, blev for nylig offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

"De er som små reagensglas, men tusindvis af gange mindre end dem, der i øjeblikket bruges i laboratorier, " sagde studieleder Dino Di Carlo, en professor i bioingeniør ved UCLA Samueli School of Engineering og UCLA's Armond og Elena Hairapetian professor i teknik og medicin.

"I modsætning til traditionelle reagensglas, disse fyldes automatisk op for at rumme et volumen væske på størrelse med en enkelt celle. Og da de er ensartede i størrelse, de er ideelle til at udføre gentagelige kemiske reaktioner. Dette er et grundlæggende krav i biologisk forskning og sundhedsdiagnostik."

I samarbejde med Andrea Bertozzi, en fremtrædende professor i matematik ved UCLA og Betsy Wood Knapp professor for innovation og kreativitet, holdet skabte først matematiske modeller, der beskriver, hvordan hver kops geometri og overfladeegenskaber interagerer med væsker for at holde ensartede volumener. De U-formede kopper er fremstillet ved hjælp af en ny mikroskala 3-D-printmetode, der tidligere er udviklet af Di Carlos forskningsgruppe.

"Dette er en af ​​de mest interessante anvendelser af minimale overflader i geometri, som jeg har set i lang tid, sagde Bertozzi, hvis team brugte en numerisk metode, der først blev anvendt til at simulere 3-D volumenfliser for at studere de optimale volumenkonfigurationer for partiklerne.

Partiklerne tillader kemiske reaktioner at forekomme på mange individuelle celler samtidigt. Celler kan holdes i live inde i emulsionen og identificeres for en ønsket egenskab, såsom høj produktion af enzymer eller antistoffer, eller resistens over for et lægemiddel. På grund af de små indesluttede væskevolumener, produkterne af reaktioner fra et lille antal celler eller molekyler kan akkumuleres til høje niveauer inden for timer i stedet for dage. Disse egenskaber kan være vigtige for at fremskynde opdagelsen af ​​nye lægemidler og fremskynde helbredsdiagnostik, såsom for bakterielle infektioner eller hjerte-kar-sygdomme.

Ud over at bibringe emulsionen langtidsstabilitet, de U-formede partikler kunne introducere en række andre fysiske og biokemiske egenskaber. Overfladekemien af ​​partiklerne kan modificeres til at fange specifikke målmarkører for sygdom. Ud over, formen af ​​partiklerne giver en unik metode til at identificere hver reaktion, ligner et stregkodet nummer skrevet på siden af ​​et reagensglas. Endnu et nyt papir fra gruppen, som blev offentliggjort i Lab on a Chip , udvider antallet af mulige partikelformer.

"Vi mener, at denne nye 'lab-on-a-particle'-tilgang viser løfte om at springe over tidligere 'lab-on-a-chip'-systemer ved at eliminere behovet for komplekse pumpe- og kontrolsystemer, " sagde Di Carlo. "At lave og bruge de pansrede emulsioner er begge ret let med almindeligt laboratorieudstyr som pipetter og centrifuger. Dette kunne give flere forskningslaboratorier rundt om i verden mulighed for at udføre effektfuld forskning uden betydelige investeringer i udstyr."