Het manipuleren van vaste deeltjes van enkele micrometers met behulp van een elektrisch veld is van groot belang geweest voor natuurkundigen. Deze controleerbare deeltjes kunnen worden samengevoegd tot dynamische ketens die de vloeistofstroom in dunne buizen zoals capillairen effectief kunnen regelen. Het vervangen van deze vaste deeltjes door vloeibare druppeltjes zou voorheen onhaalbare elektrorheologische toepassingen in de biotechnologie mogelijk maken, aangezien vloeistofdruppels verschillende biomoleculen zoals enzymen kunnen opslaan en gebruiken. Tot nu toe was het niet mogelijk om vloeistofdruppels te gebruiken voor elektrorheologie, omdat ze de neiging hebben om samen te smelten of te vervormen, waardoor ze ondoeltreffend zijn als elektrorheologische vloeistoffen.

Nieuw onderzoek onder leiding van de University of Houston Cullen College of Engineering* in samenwerking met het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Chicago, heeft een eenvoudige manier aangetoond voor het stabiliseren van polyelektrolyt-coacervaatdruppels die niet samenvloeien of vervormen onder een elektrisch veld. De studie is onlangs gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Dankzij de hoge polariseerbaarheid en de resterende oppervlaktelading kunnen deze "gestabiliseerde" druppeltjes in een waterige omgeving worden gestuurd met behulp van een laagspanningsbron, bijvoorbeeld een 9V-batterij. Deze druppeltjes, bekend als coacervaten, bevatten geladen polymeren die de inkapseling van biologisch relevante geladen soorten zoals eiwitten en genen mogelijk maken. Ze hebben dus het potentieel om een ​​verscheidenheid aan vracht te vervoeren en af ​​​​te leveren die nuttig is in de productie- en medische industrie.

Coacervaatdruppels worden gevormd wanneer twee tegengesteld geladen polymeren, ook wel polyelektrolyten genoemd, samen in een gecondenseerde toestand in een zoutoplossing assembleren. Meer specifiek wordt de oplossing vaak snel omgezet in een tweefasensysteem, waarbij de polymeerrijke coacervaatdruppels in de omringende oplossing gesuspendeerd zijn. De druppeltjes hebben de grootte van tientallen microns, ongeveer de grootte van typische biologische cellen. In feite is aangetoond dat deze druppeltjes verschillende biologisch relevante reacties uitvoeren. Coacervaatdruppels hebben echter een groot nadeel:ze versmelten met elkaar om grotere en grotere druppels te vormen door samen te smelten totdat alle druppels samensmelten tot een macroscopisch bezonken laag als gevolg van bezinking door de zwaartekracht.

"Denk aan het mengen van een lepel olijfolie in een kopje water en krachtig schudden. In het begin zie je kleine druppeltjes die het mengsel troebel maken, maar na verloop van tijd smelten deze druppeltjes samen om afzonderlijke olie- en waterlagen te vormen. Zo ook druppelbioreactoren of elektrorheologische vloeistoffen gemaakt van coacervaten falen na verloop van tijd wanneer de druppeltjes samenvloeien om lagen te vormen," zei Alamgir Karim, Dow Chair en Welch Foundation Professor van de Universiteit van Houston, die het onderzoeksproject leidde, in samenwerking met Jack F. Douglas, een lange -time collega en polymeerfysicus bij NIST, met inzichten geleverd door polyelektrolyt coacervaat expert, Matthew Tirrell, de decaan van de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago.

"Wetenschappers hebben het probleem van de samensmelting van oliedruppels opgelost door oppervlakteactieve moleculen toe te voegen die naar het grensvlak van oliedruppeltjes gaan, waardoor de oliedruppeltjes niet kunnen samensmelten", zegt Douglas. Hij vervolgde:"Onlangs werd vergelijkbare technologie toegepast op coacervaatdruppels, waarbij gespecialiseerde polymeerketens werden gebruikt om de druppelinterface te coaten, waardoor hun samensmelting effectief werd voorkomen. Dergelijke moleculaire coatings verbieden echter materiaaltransport in en uit de druppeltjes, waardoor ze ondoeltreffend zijn voor bioreactoren. toepassingen."

"Ik wilde deze druppels stabiliseren zonder een extra molecuul te introduceren", zegt Aman Agrawal, de afgestudeerde student in de Karim Research Group die het project leidt. Na maanden van onderzoek ontdekte Agrawal dat "wanneer coacervaatdruppels worden overgebracht van hun oorspronkelijke zoutoplossing naar gedestilleerd water, hun grensvlak de neiging heeft om een ​​sterke weerstand tegen coalescentie te verwerven." De onderzoekers stellen voor dat deze stabiliteit van druppeltjes te wijten is aan een verlies van ionen van het druppelinterface in het gedestilleerde water, aangedreven door een abrupte verandering in ionenconcentratie. Agrawal bestudeerde vervolgens deze stabiele druppeltjes onder een elektrisch veld en demonstreerde hoe je druppelketens onder een wisselstroomveld kunt vormen en ze vervolgens kunt verplaatsen met een gelijkstroomveld.

"Deze nieuwe ontwikkeling op het gebied van coacervaat," zei Tirrell, "heeft mogelijke toepassingen in medicijnafgifte en andere inkapselingstechnologieën. In de basisbiologie kan dit mechanisme verklaren waarom intracellulaire organellen en biologische condensaten en prebiotische protocellen (mogelijke middelen in de oorsprong van leven) de stabiliteit hebben die ze hebben." Recente metingen hebben aangetoond dat cellen van verschillende typen vergelijkbaar kunnen worden gemanipuleerd als de gestabiliseerde coacervaatdruppels met de toepassing van elektrische velden, wat suggereert dat de polariseerbaarheid van de coacervaatdruppels significante gevolgen kan hebben voor de manipulatie van talrijke biologische materialen die zijn samengesteld uit geladen polymeren. + Verder verkennen

Nieuwe methode voor vroege ziektedetectie met behulp van DNA-druppeltjes