Gouttelettes de coacervation complexes comme matériau modèle pour l’étude de la réponse électrodynamique de matériaux biologiques

La manipulation de particules solides de quelques micromètres à l’aide d’un champ électrique intéresse beaucoup les physiciens. Ces particules contrôlables peuvent être assemblées en chaînes dynamiques capables de contrôler efficacement le flux de liquides dans des tubes minces comme des capillaires. Le remplacement de ces particules solides par des gouttelettes liquides permettrait des applications d’électrorhéologie auparavant irréalisables en biotechnologie, car les gouttelettes liquides peuvent stocker et utiliser diverses biomolécules telles que des enzymes. Jusqu’à présent, il n’était pas possible d’utiliser des gouttelettes de liquide pour l’électrorhéologie, car elles ont tendance à fusionner ou à se déformer, ce qui les rend inefficaces en tant que fluides électrorhéologiques.

Une nouvelle recherche menée par l’Université de Houston Cullen College of Engineering * en collaboration avec le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l’Université de Chicago, a montré une voie simple pour stabiliser les gouttelettes de coacervat de polyélectrolyte qui ne fusionnent pas ou ne se déforment pas sous un champ électrique. L’étude vient d’être publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Activées par la polarisabilité élevée et la charge superficielle résiduelle, ces gouttelettes « stabilisées » peuvent être dirigées dans un environnement aqueux à l’aide d’une source basse tension, par exemple une pile 9V. Connues sous le nom de coacervats, ces gouttelettes contiennent des polymères chargés qui permettent l’encapsulation d’espèces chargées biologiquement pertinentes telles que les protéines et les gènes. Ainsi, ils ont le potentiel de transporter et de livrer une variété de marchandises utiles dans les industries manufacturières et médicales.

Des gouttelettes de coacervation se forment lorsque deux polymères chargés de manière opposée, également appelés polyélectrolytes, se co-assemblent à l’état de condensat dans une solution saline. Plus précisément, la solution se transforme souvent rapidement en un système à deux phases, avec les gouttelettes de coacervat riches en polymères en suspension dans la solution environnante. Les gouttelettes ont la taille de dizaines de microns, environ la taille de cellules biologiques typiques. En fait, il a été démontré que ces gouttelettes effectuent diverses réactions biologiquement pertinentes. Cependant, les gouttelettes coacervatées présentent un inconvénient majeur: elles fusionnent les unes avec les autres pour former des gouttelettes de plus en plus grosses en coalescent jusqu’à ce que toutes les gouttelettes fusionnent pour former une couche macroscopique sédimentée en raison de la sédimentation par gravité.

« Pensez à mélanger une cuillère d’huile d’olive dans une tasse d’eau et à la secouer vigoureusement. Au début, vous verrez de petites gouttelettes qui rendent le mélange trouble, mais avec le temps, ces gouttelettes fusionnent pour former des couches d’huile et d’eau séparées. De même, les bioréacteurs à gouttelettes ou les fluides électrorhéologiques fabriqués à partir de coacervats échouent avec le temps lorsque les gouttelettes fusionnent pour former des couches », a déclaré Alamgir Karim, titulaire de la chaire Dow et professeur de la Welch Foundation de l’Université de Houston, qui a dirigé le projet de recherche, en collaboration avec Jack F. Douglas, un long -time collègue et physicien des polymères au NIST, avec des idées fournies par l’expert en coacervats de polyélectrolytes, Matthew Tirrell, doyen de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago.

« Les scientifiques ont résolu le problème de la coalescence des gouttelettes d’huile en ajoutant des molécules de surfactant qui vont à l’interface des gouttelettes d’huile, empêchant les gouttelettes d’huile de fusionner », a déclaré Douglas. Il a poursuivi: « Récemment, une technologie similaire a été appliquée pour coacerver les gouttelettes où des chaînes de polymères spécialisées ont été utilisées pour recouvrir l’interface des gouttelettes, interdisant efficacement leur coalescence. Cependant, ces revêtements moléculaires interdisent le transport de matériaux dans et hors des gouttelettes, les rendant inefficaces pour le bioréacteur. applications. »

« Je voulais stabiliser ces gouttelettes sans introduire de molécule supplémentaire », a déclaré Aman Agrawal, l’étudiant diplômé du groupe de recherche Karim qui dirige le projet. Après des mois de recherche, Agrawal a découvert que « lorsque des gouttelettes de coacervation sont transférées de leur solution saline d’origine à de l’eau distillée, leur interface a tendance à acquérir une forte résistance à la coalescence ». Les chercheurs proposent que cette stabilité des gouttelettes soit due à une perte d’ions de l’interface des gouttelettes dans l’eau distillée entraînée par un changement brusque de la concentration en ions. Agrawal a ensuite étudié ces gouttelettes stables sous un champ électrique, démontrant comment former des chaînes de gouttelettes sous un champ alternatif, puis les déplaçant avec un champ continu.

« Ce nouveau développement dans le domaine des coacervats », a déclaré Tirrell, « a des applications potentielles dans l’administration de médicaments et d’autres technologies d’encapsulation. En biologie fondamentale, ce mécanisme peut expliquer pourquoi les organites intracellulaires et les condensats biologiques, et les protocellules prébiotiques (agents possibles à l’origine de la vie) ont la stabilité qu’ils ont. » Des mesures récentes ont montré que des cellules de différents types peuvent être manipulées de manière assez similaire aux gouttelettes de coacervat stabilisées avec l’application de champs électriques, suggérant que la polarisabilité des gouttelettes de coacervat pourrait avoir des ramifications importantes pour la manipulation de nombreux matériaux biologiques composés de polymères chargés.