Inom biovetenskap, forskare arbetar med att injicera droger och andra molekyler med hjälp av små transportfordon. Forskare vid Saarlands universitet och universitetet i Barcelona har i ett modellsystem visat att små emulsionsdroppar kan användas som smarta bärare. De har utvecklat en metod för att producera självgående vätskedroppar som kan tillhandahålla rumsligt och tidsmässigt kontrollerad leverans av en molekylär belastning. Studien publicerades i Kommunikationsfysik .

"Att använda droppar som mikrobärare inom biomedicin, till exempel, är ett mål som har eftersträvats under en tid, säger Ralf Seemann, professor i experimentell fysik vid Saarlands universitet. Dock, dessa droppar kunde bara röra sig passivt genom kroppen, till exempel, via blodomloppet. För deras aktuella studie om aktiva "mikrosimmare, " fysikerna från Saarbrücken experimenterade med ett modellsystem som utvecklades från enfasiga emulsionsdroppar till så kallade Janus-droppar. Forskarna fann att de aktivt kan röra sig och även fungera som en "smart" bärare för att transportera och deponera en last.

Janus droppar består av två delar:en ledande vattenrik droppe och en släpande etanol- och ytaktivt ämne rik droppe. Orsaken till Janus-dropparnas speciella förmågor ligger i deras bildning - de går igenom totalt tre utvecklingsstadier där olika interaktioner med omgivningen sker. Forskarna kunde använda dessa utvecklingssteg för att "programmera" dropparna som aktiva bärare.

"Utgångspunkten är homogena droppar, som framställs av en vatten-etanolblandning. Dessa droppar simmar i en oljefas där ett ytaktivt ämne är upplöst, " förklarar Jean-Baptiste Fleury, en gruppledare på avdelningen. I den första utvecklingsfasen, etanol lämnar droppen och löser sig i den omgivande oljefasen. Detta resulterar i olika spänningar på ytan av dropparna, som orsakar det så kallade Marangoniflödet på ytan såväl som i droppen.

"Med Marangoni-effekten, vätskor migrerar från ett område med låg ytspänning till ett område med hög ytspänning, " förklarar Martin Brinkmann, som också ingår i forskargruppen. "Under det första steget, Marangoni-flödet driver partikeln framåt - en aktiv rörelse som orsakas av den ständiga förlusten av etanol till oljefasen."

På samma gång, ytaktiva ämnen från oljefasen migrerar in i droppen eftersom de vill omge sig företrädesvis med den etanol som finns däri. Till sist, vatten och etanol separerar och små droppar av etanol-ytaktivt ämne bildas i droppen, som snabbt smälter samman, och på grund av flödet i droppen, samlas på baksidan. I slutet av steg två, en karakteristisk Janusdroppe har bildats. I följande tredje steg, de ytaktiva ämnena på ytan av den vattenrika droppen attraheras av baksidan, etanolrik droppe, och ytspänningen vid den bakre delen av ytan ökas. Denna gradient gör att vätskan på ytan av den främre droppen flyter i riktningen för den högre ytspänningen, och därmed sätter hela Janusdroppen i rörelse. "Under deras bildande, Janus-dropparna uppvisar specifika drivmekanismer; dessutom, de resulterar i olika flödesfält i respektive stadier, " säger Dr Brinkmann.

Forskarna från Saarbrücken har exakt utforskat rörelsen hos dessa Janus-droppar. "Vi kan observera hur de rör sig i experimentcellen under sin utveckling, som varar cirka 10 till 15 minuter, och hur de interagerar på olika sätt med hinder, beroende på deras utvecklingsstadium, " förklarar Dr. Fleury. Längden på de individuella utvecklingsstadierna kan styras av den initiala etanolkoncentrationen i droppen och dess storlek. För att testa deras förmåga som bärare, dropparna i experimentet laddades också med DNA-molekyler som last, som ackumuleras i den etanolrika fasen.

"Vår transportör kan selektivt gå längs hinder av en specifik geometri och yttillstånd och även leverera sin last på ett riktat sätt, " säger prof. Seemann, summerar resultaten av sin arbetsgrupp. Således, studien beskriver ett första men enkelt exempel på en programmerbar aktiv transportör som kan utföra rumsligt och tidsmässigt kontrollerad lastleverans.