Möjligheten att begränsa vatten i ett slutet fack utan att direkt manipulera det eller använda stela behållare är en attraktiv möjlighet. I en nyligen genomförd studie, Sara Coppola och ett tvärvetenskapligt forskarteam vid avdelningarna för biomaterial, Intelligenta system, Industriell produktionsteknik och avancerade biomaterial för sjukvård i Italien, föreslagit en vattenbaserad, nedifrån och upp tillvägagångssätt för att omsluta lätt, kortlivade vattensilhuetter i en skräddarsydd adaptiv kostym.

I arbetet, de använde en biokompatibel polymer som kunde självmontera med oöverträffade frihetsgrader på vattenytan för att producera ett tunt membran. De specialdesignade polymerfilmen som en extern behållare med en flytande kärna eller som ett fristående lager. Forskarna karakteriserade membranets fysikaliska egenskaper och morfologi och föreslog en mängd olika tillämpningar för fenomenet från nanoskalan till makroskalan. Processen skulle kunna inkapsla celler eller mikroorganismer framgångsrikt utan skada, öppnar vägen för ett banbrytande tillvägagångssätt för organ-på-ett-chip och lab-in-a-droppe-experiment. Resultaten är nu publicerade i Vetenskapens framsteg .

Möjligheten att isolera, att konstruera och forma material till 2-D eller 3-D-objekt från nanometer till mikroskalan via bottom-up-teknik blir allt viktigare inom materialvetenskap. Att förstå materialens fysik och kemi kommer att möjliggöra en mängd olika tillämpningar inom mikroelektronik, drogleverans, kriminalteknik, arkeologi och paleontologi och rymdforskning. Materialforskare använder en mängd olika tekniska metoder för mikrotillverkning inklusive tvåfotonpolymerisation, mjuk interferenslitografi, replikformning och självvikande polymerer för att forma och isolera materialet av intresse. Dock, de flesta materialteknikprotokoll kräver kemiska och fysikaliska förbehandlingar för att få de önskade slutegenskaperna.

I motsats till den konventionella metoden att använda solida formar för att skapa mikro- och nanopönstrade material, forskare fokuserar nu på gränssnittet luft-vätska eller vätska-vätska för att skapa skal av välordnade nanopartiklar eller kristaller för att konstruera mikro- och nanostrukturerade polymermembran. Den stora nackdelen med tekniken är skapandet av en polymerdroppe nedsänkt i vatten istället för en fristående polymersvit. I detta arbete, Coppola et al. utgick från det befintliga tillvägagångssättet med syfte att bredda experimentet till polymerinpackningsvätska, oorganiska och organiska mikroobjekt eller mikrostrukturerade ytor och ta bort den flytande kärnan efter tillverkningen.

Forskarna föreslog ett experimentellt tillvägagångssätt i detta arbete för att direkt forma polymermembran och inkapsla mikrokroppar därefter. Processen bestod av självmontering av en biokompatibel polymer ovanför vattenytan med smidighet och reproducerbarhet. Coppola et al. valde poly(lactic- co -glykolsyra) (PLGA) på grund av dess avstämbara struktur, läkemedelsfrisättningseffektivitet, hög biosäkerhet och biokompatibilitet. De tillät polymerfilmen att vara den yttre behållaren för en flytande kärna och föreslog att man skulle använda tekniken på mikropelare, organiska och oorganiska mikroobjekt och kolloidala partiklar under milda förhållanden, för att rymma mikroorganismer och celler inuti membranen därefter.

I experimenten, Coppola et al. löste en droppe av en biokompatibel polymerlösning såsom PLGA i dimetylkarbonat (DMC) och placerade den på ytan av en vattendroppe för att omedelbart bilda en icke-porös film. Processen gjorde det möjligt för polymerlösningen att linda in den fria vattenytan, ovanpå droppen och skapa ett nytt gränssnitt. Polymerfilmen sträckte sig över den fria vattenhaltiga ytan för att förvärva vätskans form och struktur, som användes som en 2D- eller 3D-mall. De testade sedan tillverkningsprocessen på olika vätskor som cellodlingsmedia, fosfatbuffrad saltlösning och andra buffertlösningar innehållande en vattenkomponent.

De skapade en polymerfilm även under dynamiska och instabila förhållanden - till exempel, på en droppe som står på en glasskiva och en droppe som rinner från en nål. För att demonstrera total inkapsling av vätskevolymen, forskarna bildade två separata fastsittande droppar på teflonglaset med en omsluten av membranet. När ytan lutar, den fria vattendroppen rörde sig längs substratet, medan den membranbelagda droppen förblev oavlägsningsbar och förankrad i glaset. I sin verkningsmekanism, filmen bildades omedelbart vid kontakt med vatten och när lösningsmedlet avdunstat tillsammans med vatten, den återstående polymeren bibehöll en 3D-struktur.

Filmen kollapsade inte under atmosfärstryck och membranet fungerade som en yttre beläggning liknande ett polymerskal på vätskedroppen. Forskarna använde en mängd olika membrankarakteriseringsmetoder inklusive svepelektronmikroskopi (SEM), vattenkontaktvinkel och Youngs modulmätningar. SEM-bilderna avslöjade en icke-porös symmetrisk struktur som kännetecknas av en homogen yta och tjocklek. När de mätte vattenkontaktvinkeln på membranet, resultaten avslöjade mild hydrofilicitet (vattenälskande) hos polymererna. Forskarna undersökte de mekaniska egenskaperna hos PLGA-membranet och beräknade syrepermeabiliteten och vattenångpermeabiliteten. Membranet visade en mycket hög permeabilitet för syre, vilket är en viktig parameter för biomedicinska tillämpningar.

Forskarna använde materialet som en extern beläggning under lab-in-a-droppe experiment för att bilda nya metoder för realtidsobservationer i 3D. Som ett bevis på principen, de studerade beteendet hos modellorganismen Caenohabditis elegans i polymerbubblan. För detta, de placerade mikroorganismen (MO) i en vattenlösning och lindade PLGA-membranet runt vätskedroppen för att visa att MO-rörelsen omedelbart upphör. Medan C. elegans höll fast vid vatten-PLGA-membranet, syreflödet fortsatte på grund av membranpermeabiliteten för deras överlevnad. Den plötsliga förändringen av MO-beteendet vände vid avlägsnande av membranet för att återställa vanlig motilitet. Processen gjorde det möjligt för forskarna att observera MO utan att administrera skadliga läkemedel för att förhindra deras rörelse. Coppola et al. föreslå ytterligare experiment för att förstå beteendet hos organismerna i de mycket små polymerdroppar.

De testade sedan möjligheten att upprätthålla fenomenet i närvaro av komplexa konturer eller hinder och på hydrogelmaterial. Med hjälp av mikropelarmatriser observerade forskarna att polymermembranet omsluter det underliggande mikromönstret och producerar topp-och-dalformade polymerfilmer med uppställda stötar. Sådana funktioner kommer att tillåta Coppola et al. att designa cellodlingssubstrat, ställningar för vävnadsteknik och läkemedelstillförselsystem som använder polymersystemen.

Liknande, när de testade tekniken med hydrogelmaterial genom att helt enkelt dispensera en polymerdroppe eller spraya polymeren ovanför en roterande hydrogelcylinder, de kunde bilda en kontinuerlig polymerfilm. Med hjälp av metoden, de producerade polymerfilmer med olika formar i form av mikrokuber, romb och cylindrar för en mängd olika applikationer.

Forskarna använde polymer-hydrogel-konstruktionerna som en ställning för cellodlingsexperiment för att observera celltillväxt i olika former, inklusive mikrosfärkuber och polymermönster. Efter 24 timmars odling av mänskliga mesenkymala stamceller (hMSCs) i PLGA, forskarna visualiserade cytoskelettet och kärnorna för att visa cellkroppens förlängning på polymerfilmen; indikerar adekvat cellvidhäftning. Den föreslagna tekniken skadade inte cellkulturer eller mikroorganismer för att bilda en ny och enkel metod för att konstruera polymerfilmer med potentiell skalbarhet för mikrofluidiska organ-på-chips.

På det här sättet, Coppola et al. utvecklat en miljövänlig, kostnadseffektiv och vattenbaserad bottom-up-teknisk metod för att tillåta en biopolymer att självmontera på en droppe vatten och på andra 3D-mallar. Forskarna föreslår att materialen används för en rad tillämpningar inom biomedicin för sårläkning, som lab-in-a-drop och på lab-on-a-chip-enheter. De föreställer sig optimerade funktionaliteter hos den polymera filmen med halvledarnanopartiklar eller kvantprickar för att öppna nya vägar inom klinisk fototerapi i levande system i framtiden.

© 2019 Science X Network