De mogelijkheid om water op te sluiten in een afgesloten compartiment zonder het direct te manipuleren of harde containers te gebruiken, is een aantrekkelijke mogelijkheid. In een recente studie, Sara Coppola en een interdisciplinair onderzoeksteam in de afdelingen Biomaterialen, Intelligente systemen, Industriële productie-engineering en geavanceerde biomaterialen voor de gezondheidszorg in Italië, stelde een watergedragen, bottom-up benadering om een ​​gemakkelijke, kortstondige watersilhouetten in een op maat gemaakt adaptief pak.

In productie, ze gebruikten een biocompatibel polymeer dat zichzelf met ongekende vrijheidsgraden op het wateroppervlak kon assembleren om een ​​dun membraan te produceren. Ze ontwierpen de polymeerfilm op maat als een externe container met een vloeibare kern of als een vrijstaande laag. De wetenschappers karakteriseerden de fysieke eigenschappen en morfologie van het membraan en stelden een verscheidenheid aan toepassingen voor het fenomeen voor, van nanoschaal tot macroschaal. Het proces kan cellen of micro-organismen met succes inkapselen zonder schade, de weg vrijmaken voor een baanbrekende benadering die toepasbaar is voor orgel-op-een-chip- en lab-in-a-drop-experimenten. De resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De mogelijkheid om te isoleren, het engineeren en vormgeven van materialen tot 2D- of 3D-objecten van nanometer tot microschaal via bottom-up engineering wordt steeds belangrijker in de materiaalkunde. Het begrijpen van de fysica en chemie van materialen zal een verscheidenheid aan toepassingen in micro-elektronica mogelijk maken, medicijnafgifte, forensisch, archeologie en paleontologie en ruimteonderzoek. Materiaalwetenschappers gebruiken een verscheidenheid aan technische methoden voor microfabricage, waaronder twee-fotonpolymerisatie, zachte interferentielithografie, replica molding en zelfvouwende polymeren om het materiaal van belang te vormen en te isoleren. Echter, de meeste protocollen voor materiaaltechniek vereisen chemische en fysische voorbehandelingen om de gewenste uiteindelijke eigenschappen te verkrijgen.

In tegenstelling tot de conventionele methode om massieve mallen te gebruiken om materialen met micro- en nanopatronen te maken, wetenschappers richten zich nu op het lucht-vloeistof- of vloeistof-vloeistof-interface om schalen van geordend geassembleerde nanodeeltjes of kristallen te creëren om micro- en nanogestructureerde polymere membranen te ontwerpen. Het belangrijkste nadeel van de techniek is het creëren van een polymere druppel ondergedompeld in water in plaats van een vrijstaande polymeersuite. In het huidige werk, Coppola et al. gestart vanuit de bestaande aanpak met als doel het experiment uit te breiden naar polymeer wikkelvloeistof, anorganische en organische micro-objecten of microgestructureerde oppervlakken en verwijder de vloeibare kern na de fabricage.

De wetenschappers stelden een experimentele benadering voor in het huidige werk om polymeermembranen direct vorm te geven en daarna microlichamen in te kapselen. Het proces bestond uit de zelfassemblage van een biocompatibel polymeer boven het wateroppervlak met wendbaarheid en reproduceerbaarheid. Coppola et al. koos poly(melkzuur- co -glycolzuur) (PLGA) vanwege zijn afstembare structuur, efficiëntie van de medicijnafgifte, hoge bioveiligheid en biocompatibiliteit. Ze lieten de polymeerfilm de externe container van een vloeibare kern zijn en stelden voor om de techniek op micropilaren te gebruiken, organische en anorganische micro-objecten en colloïdale deeltjes onder milde omstandigheden, om daarna micro-organismen en cellen in de membranen op te nemen.

In de experimenten, Coppola et al. loste een druppel van een biocompatibele polymere oplossing zoals PLGA in dimethylcarbonaat (DMC) op en plaatste deze op het oppervlak van een waterdruppel om onmiddellijk een niet-poreuze film te vormen. Door het proces kon de polymeeroplossing het vrije wateroppervlak wikkelen, bovenop de druppel en maak een nieuwe interface. De polymeerfilm strekte zich uit over het vrije waterige oppervlak om de vorm en structuur van de vloeistof te verkrijgen, die werd gebruikt als een 2D- of 3D-sjabloon. Vervolgens testten ze het fabricageproces op diverse vloeistoffen zoals celkweekmedia, fosfaatgebufferde zoutoplossing en andere bufferoplossingen die een watercomponent bevatten.

Ze creëerden zelfs tijdens dynamische en onstabiele omstandigheden een polymeerfilm, bijvoorbeeld op een druppel die op een glasplaatje staat en een druppel die uit een naald stroomt. Om de totale inkapseling van het vloeistofvolume aan te tonen, de wetenschappers vormden twee afzonderlijke sessiele druppeltjes op het teflonglaasje met één omhuld door het membraan. Bij het kantelen van het oppervlak, de vrije waterdruppel bewoog zich langs het substraat, terwijl de met membraan beklede druppel onverwijderbaar bleef en aan het glas verankerd. In zijn werkingsmechanisme, de film vormde zich onmiddellijk bij contact met water en toen het oplosmiddel samen met water verdampte, het resterende polymeer behield een 3D-structuur.

De film bezweek niet onder atmosferische druk en het membraan werkte als een uitwendige bekleding, vergelijkbaar met een polymere schil op de vloeistofdruppel. De wetenschappers gebruikten verschillende membraankarakteriseringsmethoden, waaronder scanning-elektronenmicroscopie (SEM), watercontacthoek en Young's modulusmetingen. De SEM-afbeeldingen onthulden een niet-poreuze symmetrische structuur die wordt gekenmerkt door een homogeen oppervlak en dikte. Toen ze de watercontacthoek op het membraan maten, de resultaten onthulden milde hydrofiliciteit (waterminnend) van de polymeren. De wetenschappers onderzochten de mechanische eigenschappen van het PLGA-membraan en berekenden de zuurstofdoorlaatbaarheid en de waterdampdoorlaatbaarheid. Het membraan vertoonde een zeer hoge doorlaatbaarheid voor zuurstof, wat een belangrijke parameter is voor biomedische toepassingen.

De wetenschappers gebruikten het materiaal als externe coating tijdens lab-in-a-drop-experimenten om nieuwe methoden te ontwikkelen voor realtime observaties in 3D. Als een proof-of-principle, ze bestudeerden het gedrag van het modelorganisme Caenohabditis elegans in de polymeerbel. Voor deze, ze plaatsten het micro-organisme (MO) in een wateroplossing en wikkelden het PLGA-membraan rond de druppel vloeistof om de onmiddellijke stopzetting van MO-beweging aan te tonen. Terwijl C. elegans zich aan het water-PLGA-membraan hechtte, zuurstofstroom voortgezet vanwege membraanpermeabiliteit voor hun overleving. De abrupte verandering van MO-gedrag keerde terug bij verwijdering van het membraan om de gebruikelijke beweeglijkheid te herstellen. Het proces stelde de wetenschappers in staat om de MO's te observeren zonder schadelijke medicijnen toe te dienen om hun beweging te voorkomen. Coppola et al. verdere experimenten voorstellen om het gedrag van de organismen in de minuscule polymeerdruppels te begrijpen.

Vervolgens testten ze de mogelijkheid om het fenomeen te behouden in de aanwezigheid van complexe contouren of obstakels en op hydrogelmaterialen. Met behulp van micropillar-arrays observeerden de wetenschappers dat het polymeermembraan het onderliggende micropatroon omhulde en piek-en-dalvormige polymeerfilms met gerangschikte hobbels produceerde. Dergelijke functionaliteiten zullen Coppola et al. om celkweeksubstraten te ontwerpen, steigers voor tissue engineering en medicijnafgiftesystemen met behulp van de polymeersystemen.

evenzo, toen ze de techniek testten met hydrogelmaterialen door simpelweg een polymeerdruppel af te geven of het polymeer boven een roterende hydrogelcilinder te sproeien, ze waren in staat om een ​​continue polymeerfilm te vormen. Met behulp van de methode, ze maakten polymeerfilms met verschillende mallen in de vorm van microkubussen, ruit en cilinders voor een verscheidenheid aan toepassingen.

De wetenschappers gebruikten de polymeer-hydrogelconstructies als een scaffold voor celcultuurexperimenten om celgroei te observeren op verschillende vormen, waaronder microbolletjes en polymeerpatronen. Na 24 uur kweken van menselijke mesenchymale stamcellen (hMSC's) in PLGA, de wetenschappers visualiseerden het cytoskelet en de kernen om de verlenging van het cellichaam op de polymeerfilm te laten zien; wijst op voldoende celadhesie. De voorgestelde techniek bracht geen schade toe aan celculturen of micro-organismen om een ​​nieuwe en eenvoudige methode te vormen om polymeerfilms te engineeren met potentiële schaalbaarheid voor microfluïdische organ-on-chips.

Op deze manier, Coppola et al. een milieuvriendelijke, kosteneffectieve en op water gebaseerde bottom-up engineeringbenadering om een ​​biopolymeer zelf te laten assembleren op een druppel water en op andere 3D-sjablonen. De wetenschappers stellen voor om de materialen te gebruiken voor een reeks toepassingen in de biogeneeskunde voor wondgenezing, als lab-in-a-drop en op lab-on-a-chip-apparaten. Ze voorzien geoptimaliseerde functionaliteiten van de polymere film met halfgeleider nanodeeltjes of kwantumdots om in de toekomst nieuwe routes te openen in klinische fototherapie in levende systemen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk