Undersøgelse demonstrerer spontan selvorganisering af mikrodråber gennem kvasi endimensionel indeslutning

Polymersystemer sammensat af flere komponenter kan spontant inducere emulsion eller mikrodråber ved mekanisk blanding, som en mellemtilstand af makroskopisk faseadskillelse. Desværre er størrelsen af ​​genererede dråber uensartet, og deres rumlige indretning er ret tilfældig. Derudover har de en tendens til at vokse sig større med tiden (grovning).

For at forhindre ændringen af ​​mikrodråbestørrelsen har forskere forsøgt at sænke temperaturen hurtigt, men disse bestræbelser kan aldrig forbedre ensartetheden af ​​dråberne. Hvis ensartet arrangerede homogene dråber, der fanger visse substrater, såsom DNA og medicin, kan fremstilles ved en simpel procedure, vil disse dråber tjene som nyttige genstande i lægemiddellevering og også til at skabe synteseceller. Denne selvorganisering af mikrodråber kan give værdifuld indsigt i selvsamlingen af ​​biologiske molekyler.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet ACS Macro Letters et forskerhold ledet af ph.d. studerende Mayu Shono fra Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab ved Doshisha University, fandt ud af, at det homogene rumlige mønster af mikrodråber genereres spontant gennem faseadskillelse af polymeropløsning langs et glaskapillarrør.

Interessant nok blev det vist, at det ensartede mønster af dråberne er ret stabilt i timevis. Forskerne indesluttede en vandig tripolymeropløsning indeholdende polyethylenglycol (PEG) blandet med dextran (DEX) og gelatine i et glaskapillarrør belagt med PEG. De observerede, at over tid adskilte de tre faser, og DEX- og gelatine-dråberne rettede sig ind i et periodisk mønster i PEG-fasen.

Det spontane selvsamlingsarrangement fandt sted uden udveksling af materialer eller energi i systemet, hvilket adskilte det fra andre systemer. "Vi har udført vores undersøgelse for at tydeliggøre den underliggende mekanisme for selvorganisering i levende stof. Som et resultat af denne undersøgelse har vi opdaget et nyt fænomen til generering af selvorganiserede karakteristiske mønstre," siger Ms. Shono.

I deres eksperimenter fremstillede forskerne tre vandige tripolymeropløsninger, der kombinerede PEG, DEX og gelatine med destilleret vand i et vægtforhold på 5:4:6.

For at skelne mellem molekylerne mærkede de DEX og gelatine med fluorescerende markører. Disse markører udsender lys af specifikke farver, når de udsættes for lys af bestemte bølgelængder, hvilket giver dem mulighed for at identificere de forskellige komponenter i prøven. Opløsningen blev derefter trukket ind i PEG-coatede kapillarrør med diametre på 140 μm og 280 μm.

På grund af den foretrukne vedhæftning til kapillærens overflade, blev PEG skilt fra opløsningen med det samme. DEX- og gelatinefaserne, som blev afstødt fra indervæggen, dannede derefter dråber, der steg i størrelse.

På 40 sekunder dannede DEX-dråberne et lineært arrangement i midten af ​​kapillæren, og 120 sekunder senere gjorde gelatine-dråberne det samme. Dette førte til en selvorganiseret, periodisk justering af DEX- og gelatinerige mikrodråber omgivet af en PEG-rig fase, som holdt sig i otte timer efter dannelse.

Det væsentlige i det observerede mønster gengives gennem numerisk simulering ved at modificere den teoretiske model med Cahn-Hilliard-ligningen, som beskriver den tidsafhængige ændring af det rumlige mønster af faseadskillelse i en blanding af tre forskellige polymerer.

At opnå stabile mikromønstre gennem faseadskillelser er udfordrende, fordi de mikrodråber, der genereres gennem faseovergang, generelt er uensartede, og de har tendens til at kollapse eller forsvinde med tiden. Men ved at begrænse dem i en kapillær med passende kemisk modifikation af dens indre overflade, var forskerne i stand til at bevare mønstrene i lange perioder.

"Den nye metode til at opnå ensartede dråber, der er rapporteret her, er overlegen i forhold til nuværende mikrofluidik i flere aspekter," siger Ms. Shono.

I fremtiden kan sådanne mikromønstre studeres for at give indsigt i de mekanismer, der er involveret i selvsamling af biologiske molekyler. Desuden kan det hjælpe med udviklingen af ​​målrettet lægemiddellevering og produktionen af ​​ønskede makromolekyler, såsom proteiner og nukleotider ved hjælp af protoceller.

For nylig publicerede fru Shono sammen med samarbejdspartnere en artikel i tidsskriftet Small hvilket indikerer den vellykkede selektive indfangning af genomstørrelse DNA i de homogene, arrangerede dråber.

Ms. Shono konkluderer, "Dette scenarie for mønsterdannelse kombineret med faseadskillelse under indespærring kan give et nyt synspunkt til at afdække de skjulte faktorer for livets oprindelse og også for at afsløre den underliggende mekanisme for stabiliteten af ​​strukturen og funktionen af ​​membran- færre organeller i levende celler."

Flere oplysninger: Mayu Shono et al., Periodisk justering af binære dråber via en mikrofaseseparation af en tripolymeropløsning under rørformet indeslutning, ACS-makrobogstaver (2024). DOI:10.1021/acsmacrolett.3c00689

Leveret af Doshisha University