Nelle scienze della vita, i ricercatori stanno lavorando per iniettare farmaci e altre molecole utilizzando minuscoli veicoli di trasporto. I ricercatori dell'Università del Saarland e dell'Università di Barcellona hanno dimostrato in un sistema modello che piccole goccioline di emulsione possono essere utilizzate come vettori intelligenti. Hanno sviluppato un metodo per produrre goccioline liquide semoventi in grado di fornire un carico molecolare controllato nello spazio e nel tempo. Lo studio è stato pubblicato su Fisica delle comunicazioni .

"Utilizzare le goccioline come micro vettori in biomedicina, Per esempio, è un obiettivo perseguito da tempo, "dice Ralf Seemann, professore di fisica sperimentale presso l'Università del Saarland. Però, queste goccioline potevano muoversi solo passivamente attraverso il corpo, Per esempio, tramite il flusso sanguigno. Per il loro attuale studio sui "micro-nuotatori attivi, " i fisici di Saarbrücken hanno sperimentato un sistema modello che si è sviluppato da goccioline di emulsione monofase nelle cosiddette goccioline di Janus. I ricercatori hanno scoperto che possono muoversi attivamente e agire anche come un vettore "intelligente" per il trasporto e il deposito di un carico.

Le goccioline di Janus sono costituite da due parti:una gocciolina principale ricca di acqua e una gocciolina finale ricca di etanolo e tensioattivo. La causa delle abilità speciali delle goccioline di Janus risiede nella loro formazione:passano attraverso un totale di tre fasi di sviluppo in cui si verificano diverse interazioni con l'ambiente. I ricercatori sono stati in grado di utilizzare queste fasi di sviluppo per "programmare" le goccioline come vettori attivi.

"Il punto di partenza sono goccioline omogenee, che sono prodotti da una miscela di acqua-etanolo. Queste goccioline nuotano in una fase oleosa in cui è disciolto un tensioattivo, " spiega Jean-Baptiste Fleury, un capogruppo del dipartimento. Nella prima fase di sviluppo, l'etanolo esce dalla gocciolina e si dissolve nella fase oleosa circostante. Ciò si traduce in diverse tensioni sulla superficie delle goccioline, che provocano il cosiddetto flusso di Marangoni in superficie oltre che nella gocciolina.

"Con l'effetto Marangoni, i liquidi migrano da una regione a bassa tensione superficiale a una regione ad alta tensione superficiale, " spiega Martin Brinkmann, che fa anche parte del gruppo di ricerca. "Durante la prima fase, il flusso di Marangoni spinge in avanti la particella, un movimento attivo causato dalla continua perdita di etanolo nella fase oleosa."

Allo stesso tempo, i tensioattivi della fase oleosa migrano nella goccia perché vogliono circondarsi preferenzialmente dell'etanolo in essa contenuto. Finalmente, acqua ed etanolo segregano e nella goccia si formano piccole goccioline di miscela etanolo-tensioattivo, che si fondono rapidamente, e a causa del flusso all'interno della gocciolina, accumularsi nella parte posteriore. Alla fine della seconda fase, si è formata una caratteristica goccia di Giano. Nella terza fase successiva, i tensioattivi sulla superficie della goccia ricca d'acqua sono attratti dalla parte posteriore, goccia ricca di etanolo, e la tensione superficiale nella parte posteriore della superficie aumenta. Questo gradiente fa sì che il liquido sulla superficie della goccia frontale fluisca nella direzione della tensione superficiale più elevata, e così mette in moto l'intero Giano. "Nel corso della loro formazione, le goccioline di Janus mostrano meccanismi di guida specifici; Inoltre, risultano in diversi campi di flusso nelle rispettive fasi, " dice il dottor Brinkmann.

I ricercatori di Saarbrücken hanno studiato con precisione il movimento di queste goccioline di Giano. "Possiamo osservare come si muovono nella cellula sperimentale durante il loro sviluppo, che dura circa 10-15 minuti, e come interagiscono in modo diverso con gli ostacoli, a seconda del loro stadio di evoluzione, " spiega il Dr. Fleury. La lunghezza delle singole fasi di sviluppo può essere controllata dalla concentrazione iniziale di etanolo nella gocciolina e dalla sua dimensione. Per testare le loro capacità di vettori, le goccioline nell'esperimento sono state anche caricate con molecole di DNA come carico, che si accumulano nella fase ricca di etanolo.

"Il nostro vettore può camminare selettivamente lungo ostacoli di una determinata geometria e condizione della superficie e anche consegnare il suo carico in modo mirato, " dice il prof. Seemann, riassumendo i risultati del suo gruppo di lavoro. Così, lo studio descrive un primo ma semplice esempio di vettore attivo programmabile in grado di effettuare consegne di merci controllate spazialmente e temporalmente.