Komplexe Koazervattröpfchen als Modellmaterial zur Untersuchung der elektrodynamischen Reaktion biologischer Materialien

Die Manipulation von Feststoffpartikeln von wenigen Mikrometern Größe mit einem elektrischen Feld ist für Physiker von großem Interesse. Diese steuerbaren Partikel können zu dynamischen Ketten zusammengesetzt werden, die den Fluss von Flüssigkeiten in dünnen Röhren wie Kapillaren effektiv steuern können. Das Ersetzen dieser festen Partikel durch Flüssigkeitströpfchen würde zuvor unerreichbare elektrorheologische Anwendungen in der Biotechnologie ermöglichen, da Flüssigkeitströpfchen verschiedene Biomoleküle wie Enzyme speichern und nutzen können. Bisher war es nicht möglich, Flüssigkeitströpfchen für die Elektrorheologie zu verwenden, da sie dazu neigen, zu koaleszieren oder sich zu verformen, was sie als elektrorheologische Flüssigkeiten unwirksam macht.

Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung des Cullen College of Engineering* der University of Houston in Zusammenarbeit mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Chicago haben einen einfachen Weg zur Stabilisierung von Polyelektrolyt-Koazervat-Tröpfchen aufgezeigt, die sich unter einem nicht verschmelzen oder verformen elektrisches Feld. Die Studie wurde kürzlich im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Ermöglicht durch die hohe Polarisierbarkeit und Restoberflächenladung können diese „stabilisierten“ Tröpfchen in einer wässrigen Umgebung unter Verwendung einer Niederspannungsquelle, z. B. einer 9-V-Batterie, gelenkt werden. Diese als Koazervate bekannten Tröpfchen enthalten geladene Polymere, die die Einkapselung biologisch relevanter geladener Spezies wie Proteine ​​und Gene ermöglichen. Somit haben sie das Potenzial, eine Vielzahl von Gütern zu transportieren und auszuliefern, die in der verarbeitenden und medizinischen Industrie nützlich sind.

Koazervat-Tröpfchen bilden sich, wenn sich zwei entgegengesetzt geladene Polymere, auch Polyelektrolyte genannt, in einer Salzlösung zu einem Kondensatzustand zusammenlagern. Genauer gesagt wandelt sich die Lösung oft schnell in ein Zweiphasensystem um, wobei die polymerreichen Koazervattröpfchen in der umgebenden Lösung suspendiert sind. Die Tröpfchen haben eine Größe von mehreren zehn Mikrometern, etwa die Größe typischer biologischer Zellen. Tatsächlich wurde gezeigt, dass diese Tröpfchen verschiedene biologisch relevante Reaktionen ausführen. Koazervierte Tröpfchen haben jedoch einen großen Nachteil – sie verschmelzen miteinander, um immer größere Tröpfchen zu bilden, indem sie koaleszieren, bis alle Tröpfchen aufgrund des Absetzens durch die Schwerkraft zu einer makroskopisch abgesetzten Schicht verschmelzen.

„Denken Sie daran, einen Löffel Olivenöl in eine Tasse Wasser zu mischen und kräftig zu schütteln. Anfangs werden Sie kleine Tröpfchen sehen, die die Mischung trüb machen, aber mit der Zeit verschmelzen diese Tröpfchen zu separaten Öl- und Wasserschichten. Ebenso Tröpfchenbioreaktoren oder aus Koazervaten hergestellte elektrorheologische Flüssigkeiten versagen mit der Zeit, wenn die Tröpfchen zu Schichten verschmelzen“, sagte Alamgir Karim, Dow Chair und Welch Foundation Professor der University of Houston, der das Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit Jack F. Douglas leitete langjähriger Kollege und Polymerphysiker am NIST, mit Erkenntnissen des Polyelektrolyt-Koazervat-Experten Matthew Tirrell, dem Dekan der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago.

„Wissenschaftler lösten das Problem der Koaleszenz von Öltröpfchen, indem sie Tensidmoleküle hinzufügten, die an die Grenzfläche von Öltröpfchen gelangen und die Verschmelzung der Öltröpfchen verhinderten“, sagte Douglas. Er fuhr fort: „Vor kurzem wurde eine ähnliche Technologie zur Koazervation von Tröpfchen angewendet, bei der spezielle Polymerketten verwendet wurden, um die Tröpfchengrenzfläche zu beschichten und so ihre Koaleszenz effektiv zu verhindern. Solche molekularen Beschichtungen verhindern jedoch den Materialtransport in und aus den Tröpfchen, wodurch sie für Bioreaktoren unwirksam werden Anwendungen.“

„Ich wollte diese Tröpfchen stabilisieren, ohne zusätzliche Moleküle einzuführen“, sagte Aman Agrawal, Doktorand in der Karim-Forschungsgruppe, der das Projekt leitet. Nach monatelanger Forschung fand Agrawal heraus, dass „wenn koazervierte Tröpfchen von ihrer ursprünglichen Salzlösung in destilliertes Wasser überführt werden, ihre Grenzfläche dazu neigt, eine starke Widerstandsfähigkeit gegen Koaleszenz anzunehmen.“ Die Forscher schlagen vor, dass diese Tröpfchenstabilität auf einen Ionenverlust von der Tröpfchengrenzfläche in das destillierte Wasser zurückzuführen ist, der durch eine abrupte Änderung der Ionenkonzentration verursacht wird. Agrawal untersuchte diese stabilen Tröpfchen dann unter einem elektrischen Feld und demonstrierte, wie man Tröpfchenketten unter einem Wechselfeld bildet und sie dann mit einem Gleichfeld bewegt.

„Diese neue Entwicklung auf dem Gebiet der Koazervate“, sagte Tirrell, „hat potenzielle Anwendungen in der Arzneimittelabgabe und anderen Verkapselungstechnologien Leben) haben die Stabilität, die sie haben.“ Jüngste Messungen haben gezeigt, dass Zellen verschiedener Typen ziemlich ähnlich wie die stabilisierten Koazervat-Tröpfchen durch Anlegen elektrischer Felder manipuliert werden können, was darauf hindeutet, dass die Polarisierbarkeit der Koazervat-Tröpfchen erhebliche Auswirkungen auf die Manipulation zahlreicher biologischer Materialien haben könnte, die aus geladenen Polymeren bestehen.