Att manipulera fasta partiklar på några mikrometer i storlek med hjälp av ett elektriskt fält har varit av stort intresse för fysiker. Dessa kontrollerbara partiklar kan sättas samman till dynamiska kedjor som effektivt kan kontrollera flödet av vätskor i tunna rör som kapillärer. Att ersätta dessa fasta partiklar med vätskedroppar skulle möjliggöra tidigare ouppnåeliga elektroreologiska tillämpningar inom bioteknik, eftersom vätskedroppar kan lagra och använda olika biomolekyler såsom enzymer. Hittills har det inte varit möjligt att använda vätskedroppar för elektroreologi, eftersom de tenderar att smälta samman eller deformeras, vilket gör dem ineffektiva som elektroreologiska vätskor.

Ny forskning ledd av University of Houston Cullen College of Engineering* i samarbete med National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Chicago, har visat en enkel väg för att stabilisera polyelektrolytkoacervatdroppar som inte smälter samman eller deformeras under en elektriskt fält. Studien publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Aktiverade av den höga polariserbarheten och kvarvarande ytladdningen kan dessa "stabiliserade" droppar styras i en vattenhaltig miljö med hjälp av en lågspänningskälla, t.ex. ett 9V batteri. Kända som koacervat, innehåller dessa droppar laddade polymerer som möjliggör inkapsling av biologiskt relevanta laddade arter som proteiner och gener. Således har de potential att transportera och leverera en mängd olika gods som är användbara inom tillverknings- och medicinindustrin.

Koacervatdroppar bildas när två motsatt laddade polymerer, även kallade polyelektrolyter, sammanfogas till ett kondensattillstånd i en saltlösning. Mer specifikt omvandlas lösningen ofta snabbt till ett tvåfassystem, med de polymerrika koacervatdropparna suspenderade i den omgivande lösningen. Dropparna är av storleken tiotals mikron, ungefär lika stor som typiska biologiska celler. Faktum är att dessa droppar har visat sig utföra olika biologiskt relevanta reaktioner. Koacervatdroppar har dock en stor nackdel - de smälter samman för att bilda större och större droppar genom att koalescera tills alla droppar smälter samman för att bilda ett makroskopiskt sedimenterat lager på grund av sedimentering genom gravitation.

"Tänk på att blanda en sked olivolja i en kopp vatten och skaka den kraftigt. Till en början kommer du att se små droppar som gör blandningen grumlig, men med tiden smälter dessa droppar samman och bildar separata olje- och vattenlager. Likaså droppbioreaktorer eller elektroreologiska vätskor gjorda av koacervat misslyckas med tiden när dropparna sammansmälter för att bilda lager, säger Alamgir Karim, professor i Dow Chair och Welch Foundation vid University of Houston, som ledde forskningsprojektet, och arbetade med Jack F. Douglas, en lång -tidskollega och polymerfysiker vid NIST, med insikter från polyelektrolytkoacervatexperten Matthew Tirrell, dekanus för Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago.

"Forskare löste problemet med oljedroppars koalescens genom att lägga till ytaktiva molekyler som går till gränsytan mellan oljedroppar, vilket förbjöd oljedropparna att smälta samman", säger Douglas. Han fortsatte, "nyligen användes liknande teknik för att koacervata droppar där specialiserade polymerkedjor användes för att belägga droppgränssnittet, vilket effektivt förbjöd deras koalescens. Sådana molekylära beläggningar förbjuder emellertid materialtransport in och ut ur dropparna, vilket gör dem ineffektiva för bioreaktorer. applikationer."

"Jag ville stabilisera dessa droppar utan att introducera någon ytterligare molekyl", säger Aman Agrawal, doktoranden i Karim Research Group som leder projektet. Efter månader av forskning fann Agrawal att "när koacervatdroppar överförs från sin ursprungliga saltlösning till destillerat vatten, tenderar deras gränssnitt att få en stark motståndskraft mot koalescens." Forskarna föreslår att denna stabilitet hos droppar beror på en förlust av joner från droppgränsytan till det destillerade vattnet som drivs av en abrupt förändring i jonkoncentrationen. Agrawal studerade sedan dessa stabila droppar under ett elektriskt fält, och demonstrerade hur man bildar droppkedjor under ett växelströmsfält och sedan flyttar runt dem med ett likströmsfält.

"Denna nya utveckling inom koacervatområdet," sade Tirrell, "har potentiella tillämpningar inom läkemedelsleverans och andra inkapslingstekniker. I grundläggande biologi kan denna mekanism förklara varför intracellulära organeller och biologiska kondensat, och prebiotiska protoceller (möjliga medel i ursprunget för livet) har den stabilitet som de har." Nyligen genomförda mätningar har visat att celler av olika typer kan manipuleras ganska på samma sätt som de stabiliserade koacervatdropparna med applicering av elektriska fält, vilket tyder på att polariserbarheten hos koacervatdropparna kan ha betydande konsekvenser för manipulering av många biologiska material som består av laddade polymerer. + Utforska vidare

Ny metod för tidig upptäckt av sjukdomar med hjälp av DNA-droppar