Emulsioni corazzate, ciascuno di circa mezzo millimetro di lunghezza e contenente colorante alimentare blu per la visibilità, sviluppato da bioingegneri e matematici dell'UCLA. Credito:Di Carlo Research Group/UCLA
Se hai mai agitato una bottiglia di condimento per insalata mescolata con olio e aceto, hai creato temporaneamente un'emulsione. Però, quello stato è temporaneo, e le due componenti si separano presto. Ma, e se potessi creare un'emulsione stabile in cui tutte le minuscole goccioline rimangono a una dimensione uniforme per lungo tempo? I bioingegneri e i matematici dell'UCLA hanno fatto proprio questo, inventando le prime emulsioni "armate".
L'armatura si presenta sotto forma di minuscole coppe morbide a forma di U, circa mezzo millimetro di lunghezza. Con un esterno idrofobo (idrorepellente) e un interno idrofilo (che attira l'acqua), ogni particella a forma di U cattura una gocciolina di fluido risultante in un'emulsione che rimane intatta dopo la miscelazione. La tecnologia apre nuove strade nella produzione farmaceutica e chimica, ricerca biologica e diagnostica.
Uno studio che dettaglia la ricerca è stato recentemente pubblicato in Progressi scientifici .
"Sono come minuscole provette, ma migliaia di volte più piccole di quelle attualmente utilizzate nei laboratori, " ha affermato il responsabile dello studio Dino Di Carlo, un professore di bioingegneria presso la Samueli School of Engineering dell'UCLA e Armond and Elena Hairapetian Professor di Ingegneria e Medicina dell'UCLA.
"A differenza delle provette tradizionali, questi si riempiono automaticamente per contenere un volume di fluido delle dimensioni di una singola cella. E poiché sono di dimensioni uniformi, sono ideali per effettuare reazioni chimiche ripetibili. Questo è un requisito fondamentale nella ricerca biologica e nella diagnostica sanitaria".
Le immagini che mostrano il volume possono essere conservate per diversi giorni all'interno di coppe a forma di U lunghe circa mezzo millimetro ciascuna. Una lenta riduzione del volume delle gocce è presumibilmente dovuta alla dissoluzione dell'acqua nella fase oleosa e all'evaporazione nel tempo. Credito:Di Carlo Research Group/UCLA
In collaborazione con Andrea Bertozzi, un illustre professore di matematica all'UCLA e il professore di Betsy Wood Knapp per l'innovazione e la creatività, il team ha prima creato modelli matematici che descrivono come la geometria e le proprietà della superficie di ciascuna tazza interagiscono con i fluidi per contenere volumi uniformi. Le tazze a forma di U sono prodotte utilizzando un nuovo approccio di stampa 3D su microscala precedentemente sviluppato dal gruppo di ricerca di Di Carlo.
"Questa è una delle applicazioni più interessanti delle superfici minime in geometria che ho visto da molto tempo, " disse Bertozzi, il cui team ha utilizzato un metodo numerico applicato per la prima volta per simulare le tassellature di volume 3D per studiare le configurazioni di volume ottimali per le particelle.
Le particelle consentono che le reazioni chimiche avvengano su molte singole cellule contemporaneamente. Le cellule possono essere mantenute in vita all'interno dell'emulsione e identificate per una caratteristica desiderata, come un'elevata produzione di enzimi o anticorpi, o resistenza a un farmaco. A causa dei piccoli volumi di liquido intrappolati, i prodotti delle reazioni di un piccolo numero di cellule o molecole possono accumularsi a livelli elevati in poche ore anziché giorni. Queste capacità possono essere importanti per accelerare la scoperta di nuovi farmaci e accelerare la diagnostica sanitaria, come per infezioni batteriche o malattie cardiovascolari.
Oltre a conferire stabilità a lungo termine all'emulsione, le particelle a forma di U potrebbero introdurre una serie di altre proprietà fisiche e biochimiche. La chimica superficiale delle particelle può essere modificata per catturare specifici marcatori bersaglio della malattia. Inoltre, la forma delle particelle fornisce un metodo unico per identificare ogni reazione, simile a un numero con codice a barre scritto sul lato di una provetta. Un altro recente documento del gruppo, che è stato pubblicato in Laboratorio su un chip , si espande sul numero di possibili forme di particelle.
"Riteniamo che questo nuovo approccio "lab-on-a-particle" prometta di superare i precedenti sistemi "lab-on-a-chip" eliminando la necessità di complessi sistemi di pompaggio e controllo, " Di Carlo ha detto. "Produrre e utilizzare le emulsioni corazzate sono entrambi abbastanza facili con apparecchiature di laboratorio comuni come pipette e centrifughe. Ciò potrebbe consentire a più laboratori di ricerca in tutto il mondo di condurre ricerche di grande impatto senza investimenti significativi in attrezzature".
