Polymersystem som består av flera komponenter kan spontant inducera emulsion eller mikrodroppar genom mekanisk blandning, som ett mellantillstånd av makroskopisk fasseparation. Tyvärr är storleken på genererade droppar ojämn och deras rumsliga arrangemang är ganska slumpmässigt. Dessutom tenderar de att växa sig större med tiden (förgrovning).
För att förhindra förändringen av mikrodropparnas storlek har forskare försökt att snabbt sänka temperaturen, men dessa ansträngningar kan aldrig förbättra dropparnas enhetlighet. Om enhetligt arrangerade homogena droppar som innesluter vissa substrat såsom DNA och mediciner kan framställas i en enkel procedur, kommer dessa droppar att fungera som användbara föremål vid läkemedelstillförsel och även för att skapa syntesceller. Denna självorganisering av mikrodroppar kan ge värdefulla insikter om självsammansättningen av biologiska molekyler.
I en studie publicerad i tidskriften ACS Macro Letters en forskargrupp ledd av Ph.D. student Mayu Shono från Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap vid Doshisha University, fann att det homogena rumsliga mönstret av mikrodroppar genereras spontant genom fasseparation av polymerlösning längs ett glaskapillärrör.
Intressant nog visades det att det enhetligt arrangerade mönstret av dropparna är ganska stabilt i timmar. Forskarna innehöll en vattenhaltig tripolymerlösning innehållande polyetylenglykol (PEG) blandat med dextran (DEX) och gelatin i ett glaskapillärrör belagt med PEG. De observerade att med tiden separerade de tre faserna och DEX- och gelatindroppar anpassade sig i ett periodiskt mönster i PEG-fasen.
Det spontana självmonteringsarrangemanget inträffade utan något utbyte av material eller energi i systemet, vilket skilde det från andra system. "Vi har utfört vår studie för att klargöra den underliggande mekanismen för självorganisering i levande materia. Som ett resultat av denna studie har vi upptäckt ett nytt fenomen för generering av självorganiserade karaktäristiska mönster", säger Shono.
I sina experiment beredde forskarna tre vattenhaltiga tripolymerlösningar, som kombinerade PEG, DEX och gelatin med destillerat vatten i ett viktförhållande på 5:4:6.
För att särskilja molekylerna märkte de DEX och gelatin med fluorescerande markörer. Dessa markörer avger ljus av specifika färger när de utsätts för ljus med vissa våglängder, vilket gör att de kan identifiera de olika komponenterna i provet. Lösningen drogs sedan in i PEG-belagda kapillärrör med diametrar på 140 μm och 280 μm.
På grund av preferentiell fästning till kapillärens yta separerade PEG från lösningen omedelbart. DEX- och gelatinfaserna, som stöttes bort från innerväggen, bildade sedan droppar som ökade i storlek.
På 40 sekunder bildade DEX-dropparna ett linjärt arrangemang i mitten av kapillären, och 120 sekunder senare gjorde gelatindropparna detsamma. Detta ledde till en självorganiserad, periodisk anpassning av DEX- och gelatinrika mikrodroppar omgivna av en PEG-rik fas, som bibehöll sig i åtta timmar efter bildandet.
Det väsentliga i det observerade mönstret reproduceras genom numerisk simulering genom att modifiera den teoretiska modellen med Cahn-Hilliard-ekvationen, som beskriver den tidsberoende förändringen av det rumsliga mönstret för fasseparation i en blandning av tre olika polymerer.
Att uppnå stabila mikromönster genom fasseparationer är utmanande, eftersom mikrodroppar som genereras genom fasövergång i allmänhet är olikformiga och de tenderar att kollapsa eller försvinna med tiden. Men genom att begränsa dem i en kapillär med lämplig kemisk modifiering av dess inre yta kunde forskarna bevara mönstren under långa perioder.
"Den nya metodiken för att erhålla enhetliga droppar som rapporteras här är överlägsen nuvarande mikrofluidik i flera aspekter", säger Shono.
I framtiden kan sådana mikromönster studeras för att ge insikter i de mekanismer som är involverade i självmontering av biologiska molekyler. Dessutom kan det hjälpa till i utvecklingen av riktad läkemedelsleverans och produktionen av önskade makromolekyler, såsom proteiner och nukleotider med hjälp av protoceller.
Nyligen publicerade Shono tillsammans med medarbetare en artikel i tidskriften Small vilket indikerar framgångsrik selektiv infångning av genomstort DNA i de homogena, arrangerade dropparna.
Shono avslutar, "Detta scenario för mönsterbildning i kombination med fasseparation under inneslutning kan ge en ny synvinkel för att avslöja de dolda faktorerna för livets ursprung och även för att avslöja den underliggande mekanismen för stabiliteten hos strukturen och funktionen av membranet- mindre organeller i levande celler."
Mer information: Mayu Shono et al, Periodic Alignment of Binary Droplets via a Microphase Separation of a Tripolymer Solution under Tubular Confinement, ACS Macro Letters (2024). DOI:10.1021/acsmacrolett.3c00689
Tillhandahålls av Doshisha University
