Als je ooit een saladedressingfles gemengd met olie en azijn hebt geschud, je hebt tijdelijk een emulsie gemaakt. Echter, die staat is tijdelijk, en de twee componenten snel scheiden. Maar, wat als je een stabiele emulsie zou kunnen maken waarin alle kleine druppeltjes lang op een uniforme grootte blijven? UCLA bio-ingenieurs en wiskundigen hebben precies dat gedaan, het uitvinden van de allereerste 'gepantserde' emulsies.

Het pantser heeft de vorm van kleine zachte U-vormige cups, ongeveer een halve millimeter lang. Met een hydrofobe (waterafstotende) buitenkant en hydrofiele (wateraantrekkende) binnenkant, elk U-vormig deeltje vangt een vloeistofdruppel op, wat resulteert in een emulsie die intact blijft na het mengen. De technologie opent nieuwe wegen in de farmaceutische en chemische productie, biologisch onderzoek en diagnostiek.

Een studie waarin het onderzoek wordt beschreven, is onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"Het zijn net kleine reageerbuisjes, maar duizenden malen kleiner dan die welke momenteel in laboratoria worden gebruikt, " zei studieleider Dino Di Carlo, een bio-ingenieursprofessor aan de UCLA Samueli School of Engineering en UCLA's Armond en Elena Hairapetian Professor of Engineering and Medicine.

"In tegenstelling tot traditionele reageerbuizen, deze vullen zich automatisch met een vloeistofvolume ter grootte van een enkele cel. En omdat ze even groot zijn, ze zijn ideaal om herhaalbare chemische reacties uit te voeren. Dit is een fundamentele vereiste in biologisch onderzoek en gezondheidsdiagnostiek."

In samenwerking met Andrea Bertozzi, een vooraanstaande professor in de wiskunde aan de UCLA en de Betsy Wood Knapp Professor voor Innovatie en Creativiteit, het team creëerde eerst wiskundige modellen die beschrijven hoe de geometrie en oppervlakte-eigenschappen van elke beker interageren met vloeistoffen om uniforme volumes vast te houden. De U-vormige bekers worden vervaardigd met behulp van een nieuwe microschaal 3D-printbenadering die eerder is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Di Carlo.

"Dit is een van de meest interessante toepassingen van minimale oppervlakken in de geometrie die ik in lange tijd heb gezien, zei Bertozzi, wiens team een ​​numerieke methode gebruikte die voor het eerst werd toegepast om 3D-volumetegels te simuleren om de optimale volumeconfiguraties voor de deeltjes te bestuderen.

Door de deeltjes kunnen chemische reacties op veel individuele cellen tegelijk plaatsvinden. Cellen kunnen in de emulsie levend worden gehouden en worden geïdentificeerd voor een gewenst kenmerk, zoals een hoge productie van enzymen of antilichamen, of resistentie tegen een medicijn. Vanwege de kleine ingesloten vloeistofvolumes, de producten van reacties van kleine aantallen cellen of moleculen kunnen zich binnen enkele uren in plaats van dagen tot hoge niveaus ophopen. Deze capaciteiten kunnen belangrijk zijn voor het versnellen van de ontdekking van nieuwe medicijnen en het versnellen van gezondheidsdiagnostiek, zoals voor bacteriële infecties of hart- en vaatziekten.

Naast het verlenen van stabiliteit op lange termijn aan de emulsie, de U-vormige deeltjes zouden een reeks andere fysische en biochemische eigenschappen kunnen introduceren. De oppervlaktechemie van de deeltjes kan worden gemodificeerd om specifieke doelmarkers van ziekte te vangen. In aanvulling, de vorm van de deeltjes biedt een unieke methode om elke reactie te identificeren, vergelijkbaar met een streepjescode op de zijkant van een reageerbuis. Een ander recent artikel van de groep, die werd gepubliceerd in Lab op een chip , breidt uit op het aantal mogelijke deeltjesvormen.

"We denken dat deze nieuwe 'lab-on-a-particle'-benadering veelbelovend is om eerdere 'lab-on-a-chip'-systemen over te slaan door de noodzaak van complexe pomp- en controlesystemen te elimineren, "Zei Di Carlo. "Het maken en gebruiken van de gepantserde emulsies zijn beide vrij eenvoudig met alledaagse laboratoriumapparatuur zoals pipetten en centrifuges. Hierdoor zouden meer onderzoekslaboratoria over de hele wereld impactvol onderzoek kunnen doen zonder aanzienlijke investeringen in apparatuur."