La possibilità di confinare l'acqua in un compartimento chiuso senza manipolarla direttamente o utilizzare contenitori rigidi è una possibilità interessante. In un recente studio, Sara Coppola e un team di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di Biomateriali, Sistemi intelligenti, Ingegneria della produzione industriale e biomateriali avanzati per la sanità in Italia, proposto un prodotto a base d'acqua, approccio dal basso verso l'alto per racchiudere facile, sagome d'acqua di breve durata in una tuta adattabile su misura.

Nel lavoro, hanno usato un polimero biocompatibile in grado di autoassemblarsi con gradi di libertà senza precedenti sulla superficie dell'acqua per produrre una membrana sottile. Hanno progettato su misura il film polimerico come contenitore esterno di un nucleo liquido o come strato indipendente. Gli scienziati hanno caratterizzato le proprietà fisiche e la morfologia della membrana e hanno proposto una varietà di applicazioni per il fenomeno dalla nanoscala alla macroscala. Il processo potrebbe incapsulare cellule o microrganismi con successo senza danni, aprendo la strada a un approccio innovativo applicabile agli esperimenti organ-on-a-chip e lab-in-a-drop. I risultati sono ora pubblicati in Progressi scientifici .

La possibilità di isolare, l'ingegneria e la modellazione di materiali in oggetti 2-D o 3-D dal nanometro alla microscala tramite l'ingegneria dal basso verso l'alto sta acquisendo importanza nella scienza dei materiali. La comprensione della fisica e della chimica dei materiali consentirà una varietà di applicazioni in microelettronica, consegna farmaci, forense, archeologia e paleontologia e ricerca spaziale. Gli scienziati dei materiali utilizzano una varietà di metodi tecnici per la microfabbricazione, tra cui la polimerizzazione a due fotoni, litografia ad interferenza morbida, polimeri di stampaggio replica e auto-pieganti per modellare e isolare il materiale di interesse. Però, la maggior parte dei protocolli di ingegneria dei materiali richiede pretrattamenti chimici e fisici per ottenere le proprietà finali desiderate.

In contrasto con il metodo convenzionale di utilizzo di stampi solidi per creare materiali micro e nanomodellati, gli scienziati si stanno ora concentrando sull'interfaccia aria-liquido o liquido-liquido per creare gusci di nanoparticelle o cristalli ordinatamente assemblati per progettare membrane polimeriche micro e nanostrutturate. Il principale svantaggio della tecnica è la creazione di una goccia polimerica immersa nell'acqua invece di una suite polimerica indipendente. Nel presente lavoro, Coppola et al. è partito dall'approccio esistente con l'obiettivo di ampliare l'esperimento al polimero avvolgente liquido, microoggetti inorganici e organici o superfici microstrutturate e rimuovere il nucleo liquido post-fabbricazione.

Gli scienziati hanno proposto un approccio sperimentale nel presente lavoro per modellare direttamente le membrane polimeriche e successivamente incapsulare i microbi. Il processo consisteva nell'autoassemblaggio di un polimero biocompatibile sopra la superficie dell'acqua con agilità e riproducibilità. Coppola et al. scelto poli (lattico- co -acido glicolico) (PLGA) per la sua struttura sintonizzabile, efficienza di rilascio del farmaco, elevata biosicurezza e biocompatibilità. Hanno permesso al film polimerico di essere il contenitore esterno di un nucleo liquido e hanno proposto di utilizzare la tecnica su micropilastri, micro-oggetti organici e inorganici e particelle colloidali in condizioni blande, per ospitare microrganismi e cellule all'interno delle membrane successivamente.

Negli esperimenti, Coppola et al. ha sciolto una goccia di una soluzione polimerica biocompatibile come il PLGA in dimetilcarbonato (DMC) e l'ha posizionata sulla superficie di una goccia d'acqua per formare istantaneamente un film non poroso. Il processo ha permesso alla soluzione polimerica di avvolgere la superficie dell'acqua libera, sopra la goccia e creare una nuova interfaccia. Il film polimerico si estendeva sulla superficie acquosa libera per acquisire la forma e la struttura del liquido, che è stato utilizzato come modello 2-D o 3-D. Hanno quindi testato il processo di fabbricazione su diversi liquidi come terreni di coltura cellulare, tampone fosfato salino e altre soluzioni tampone contenenti un componente acquoso.

Hanno creato un film polimerico anche in condizioni dinamiche e instabili, ad esempio, su una goccia in piedi su un vetrino e una goccia che scorre da un ago. Per dimostrare l'incapsulamento totale del volume del liquido, gli scienziati hanno formato due goccioline sessili separate sul vetrino in teflon con una racchiusa dalla membrana. Inclinando la superficie, la goccia d'acqua libera si è mossa lungo il substrato, mentre la goccia rivestita di membrana è rimasta inamovibile e ancorata al vetro. Nel suo meccanismo d'azione, il film si formava immediatamente a contatto con l'acqua e quando il solvente evaporava insieme all'acqua, il restante polimero ha mantenuto una struttura 3-D.

Il film non è collassato sotto pressione atmosferica e la membrana ha agito come un rivestimento esterno simile a un guscio polimerico sulla goccia di liquido. Gli scienziati hanno utilizzato una varietà di metodi di caratterizzazione della membrana, tra cui la microscopia elettronica a scansione (SEM), angolo di contatto con l'acqua e misure del modulo di Young. Le immagini SEM hanno rivelato una struttura simmetrica non porosa caratterizzata da superficie e spessore omogenei. Quando hanno misurato l'angolo di contatto dell'acqua sulla membrana, i risultati hanno rivelato una lieve idrofilia (amante dell'acqua) dei polimeri. Gli scienziati hanno studiato le proprietà meccaniche della membrana PLGA e hanno calcolato la permeabilità all'ossigeno e al vapore acqueo. La membrana ha mostrato un'altissima permeabilità all'ossigeno, che è un parametro importante per le applicazioni biomediche.

Gli scienziati hanno utilizzato il materiale come rivestimento esterno durante gli esperimenti lab-in-a-drop per formare nuovi metodi per osservazioni in tempo reale in 3-D. Come prova di principio, hanno studiato il comportamento dell'organismo modello Caenohabditis elegans nella bolla polimerica. Per questo, hanno posto il microrganismo (MO) in una soluzione acquosa e hanno avvolto la membrana PLGA attorno alla goccia di liquido per mostrare l'immediata cessazione del movimento di MO. Mentre C. elegans aderisce alla membrana acqua-PLGA, il flusso di ossigeno è continuato a causa della permeabilità della membrana per la loro sopravvivenza. Il brusco cambiamento del comportamento di MO si è invertito alla rimozione della membrana per recuperare la normale motilità. Il processo ha permesso agli scienziati di osservare gli MO senza somministrare farmaci dannosi per impedirne il movimento. Coppola et al. proporre ulteriori esperimenti per comprendere il comportamento degli organismi all'interno delle minuscole gocce di polimero.

Hanno quindi testato la possibilità di mantenere il fenomeno in presenza di contorni o ostacoli complessi e su materiali idrogel. Utilizzando array di micropillar, gli scienziati hanno osservato che la membrana polimerica avvolge il micromodello sottostante e produce film polimerici a forma di picco e valle con rilievi disposti in serie. Tali funzionalità consentiranno a Coppola et al. progettare substrati di coltura cellulare, scaffold per ingegneria tissutale e sistemi di somministrazione di farmaci che utilizzano i sistemi polimerici.

Allo stesso modo, quando hanno testato la tecnica con materiali idrogel semplicemente erogando una goccia di polimero o spruzzando il polimero sopra un cilindro di idrogel rotante, sono stati in grado di formare un film polimerico continuo. Utilizzando il metodo, producevano film polimerici con diversi stampi a forma di microcubi, rombi e cilindri per una varietà di applicazioni.

Gli scienziati hanno utilizzato i costrutti polimero-idrogel come impalcatura per esperimenti di coltura cellulare per osservare la crescita cellulare su varie forme, inclusi cubetti di microsfere e modelli polimerici. Dopo 24 ore di coltura di cellule staminali mesenchimali umane (hMSC) in PLGA, gli scienziati hanno visualizzato il citoscheletro ei nuclei per mostrare l'allungamento del corpo cellulare sul film polimerico; indicando un'adeguata aderenza cellulare. La tecnica proposta non ha danneggiato colture cellulari o microrganismi per formare un metodo nuovo e semplice per ingegnerizzare film polimerici con potenziale scalabilità per organ-on-chip microfluidici.

In questo modo, Coppola et al. sviluppato un ambiente rispettoso dell'ambiente, approccio ingegneristico dal basso verso l'alto conveniente e basato sull'acqua per consentire a un biopolimero di autoassemblarsi su una goccia d'acqua e su altri modelli 3D. Gli scienziati propongono di utilizzare i materiali per una serie di applicazioni in biomedicina per la guarigione delle ferite, come lab-in-a-drop e su dispositivi lab-on-a-chip. Prevedono funzionalità ottimizzate del film polimerico con nanoparticelle semiconduttrici o punti quantici per aprire nuove strade nella fototerapia clinica nei sistemi viventi in futuro.

© 2019 Science X Network