Vortex-ringe kan hjælpe med cellelevering, cellefri proteinproduktion

Nogle af verdens vigtigste opdagelser – penicillin, vulkaniseret gummi og velcro, for at nævne nogle få - blev lavet ved et uheld. Faktisk, det er blevet sagt, at mere end halvdelen af ​​alle videnskabelige opdagelser er tilfældige.

Tilføj vortex-ringfrysning til den lange liste af "ulykker".

Duo An, en doktorand i laboratorierne hos både professor Dan Luo og adjunkt Minglin Ma, ved Institut for Biologisk og Miljøteknik, var en undergraduate fra Kina i praktik hos Cornell, da han faldt over et fænomen, der har potentialet til i høj grad at forbedre cellefri proteinproduktion og cellelevering, især for type 1-diabetes patienter.

En gruppe ledet af Luo og Ma har udgivet avisen, "Masseproduktion af formede partikler gennem vortex-ringfrysning, " som blev udgivet online 4. august i Naturkommunikation . An er hovedforfatter.

Vortex ringe er allestedsnærværende i naturen – en svampesky af røg er et eksempel – og ringens udvikling udviser et rigt spektrum af komplicerede geometrier, fra sfærisk til dråbeformet til ringformet (doughnut-formet). Forskerne brugte disse funktioner til at kontrollere og masseproducere uorganiske og organiske partikler via en elektrosprayproces, hvorved et væld af vortex ring-derived partikler (VRP'er) kan produceres, derefter frosset på præcise tidspunkter. Gruppen rapporterede, at de kunne producere 15, 000 ringe i minuttet via elektrospraying.

De fandt ud af at kontrollere formen og hastigheden af ​​sprayen, samt hastigheden af ​​den kemiske reaktion, kan give forskellige strukturer.

"Vi kan justere begge disse tidsskalaer, og kontrollere, på hvilket stadium vi kan fryse strukturen, for at få de resultater, vi ønsker, " sagde en.

Mens du arbejdede i Luos laboratorium under en sommerpraktik, An lavede nanoler-hydrogeler - sprøjtede en opløsning ind i en anden for at skabe en gel. Men for denne særlige procedure, i stedet for direkte injektion, han dryppede den ene løsning ned i den anden. Da den første løsning kom ind i den anden, det skabte hvirvelringspartikler.

Det var først to år senere, mens du arbejdede i Ma's laboratorium, at han huskede de vortex-ringe, han havde skabt, og spekulerede på, om det koncept kunne anvendes på Ma's arbejde med mikrokapsler og celleterapi. Ma-laboratoriet fokuserer på cellelevering til type 1-diabetespatienter.

Ma indrømmede, at konceptet med at bruge en doughnut-formet indkapsling ikke var faldet ham ind, men gav god mening.

"Vi kendte konceptet om, at en donutform er bedre, men vi tænkte aldrig på at lave den, før vi så den [fra An], " sagde mor.

En fordel ved den doughnut-formede indkapsling i forhold til en sfærisk-formet er kortere diffusionsafstand - den afstand, den indkapslede partikel skal tilbagelægge for at undslippe kapslen - samtidig med at den bevarer et relativt stort overfladeareal.

Dette koncept kunne bane vejen for andre endnu ukendte anvendelser af vortex-ringfrysning, ifølge Luo.

"Vores håb er, at denne type materiale i disse former kan bruges meget mere omfattende i andre laboratorier, uanset hvad de forsøger at gøre, " sagde han. "Der er et helt felt, der kun er viet til partikler, men som standard, de tænker alle i sfæriske partikler. Forhåbentlig, dette vil føje til denne studieretning."

mor, som tidligere i år vandt en Hartwell Individual Biomedical Research Award for sit arbejde med ungdomsdiabetes, citerede samarbejdspartnernes arbejde Ashim Datta, professor i biologisk og miljøteknik, og Paul Steen, Maxwell M. Upson professor i ingeniørvidenskab ved Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomedical Engineering. Dattas laboratorium lavede simuleringsarbejdet, og Steens gruppe kom med centrale teoretiske input.

"Deres bidrag sætter dette arbejde på meget mere solid grund, " sagde Ma. "Vi forstår nu bedre mekanismen bag det, og kan mere målrettet designe disse partikler i fremtiden."

Andre samarbejdspartnere omfattede kandidatstuderende Alex Warning, Kenneth Yancey, Chun-Ti Chang og Vanessa Kern.