Alamgir Karim, Dow Chair e Professore di ingegneria chimica e biomolecolare della Welch Foundation, ha guidato il team di ricerca. Credito:Università di Houston
La manipolazione di particelle solide di pochi micrometri utilizzando un campo elettrico è stata di grande interesse per i fisici. Queste particelle controllabili possono essere assemblate in catene dinamiche in grado di controllare efficacemente il flusso di liquidi in tubi sottili come i capillari. La sostituzione di queste particelle solide con goccioline liquide consentirebbe applicazioni elettroreologiche precedentemente irraggiungibili nella biotecnologia, poiché le goccioline liquide possono immagazzinare e utilizzare varie biomolecole come gli enzimi. Finora non era possibile utilizzare le goccioline liquide per l'elettroreologia, poiché tendono a fondersi o deformarsi, rendendole inefficaci come fluidi elettroreologici.
Una nuova ricerca condotta dall'Università di Houston Cullen College of Engineering* in collaborazione con il National Institute of Standards and Technology (NIST) e l'Università di Chicago, ha mostrato un percorso semplice per stabilizzare le goccioline di coacervato di polielettroliti che non si uniscono o si deformano sotto un campo elettrico. Lo studio è stato recentemente pubblicato negliProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
Grazie all'elevata polarizzabilità e alla carica superficiale residua, queste goccioline "stabilizzate" possono essere guidate in un ambiente acquoso utilizzando una sorgente a bassa tensione, ad esempio una batteria da 9 V. Conosciute come coacervati, queste goccioline contengono polimeri carichi che consentono l'incapsulamento di specie cariche biologicamente rilevanti come proteine e geni. Pertanto, hanno il potenziale per trasportare e consegnare una varietà di merci utili nell'industria manifatturiera e medica.
Le goccioline di coacervato si formano quando due polimeri con carica opposta, detti anche polielettroliti, si uniscono in uno stato condensato in una soluzione salina. Più specificamente, la soluzione spesso si converte rapidamente in un sistema a due fasi, con le goccioline di coacervato ricche di polimero sospese nella soluzione circostante. Le goccioline hanno una dimensione di decine di micron, circa la dimensione delle tipiche cellule biologiche. In effetti, è stato dimostrato che queste goccioline svolgono varie reazioni biologicamente rilevanti. Tuttavia, le goccioline coacervate presentano un grave inconveniente:si fondono tra loro per formare goccioline sempre più grandi unendosi fino a quando tutte le goccioline si fondono per formare uno strato macroscopico stabilizzato a causa della sedimentazione per gravità.
"Pensa di mescolare un cucchiaio di olio d'oliva in una tazza d'acqua e di scuoterlo vigorosamente. Inizialmente, vedrai piccole goccioline che rendono la miscela torbida, ma nel tempo queste goccioline si fondono per formare strati separati di olio e acqua. Allo stesso modo, i bioreattori a goccia o fluidi elettroreologici costituiti da coacervati falliscono nel tempo quando le goccioline si uniscono per formare strati", ha affermato Alamgir Karim, Dow Chair e Welch Foundation Professor dell'Università di Houston, che ha guidato il progetto di ricerca, lavorando con Jack F. Douglas, a lungo - collega di tempo e fisico dei polimeri al NIST, con approfondimenti forniti dall'esperto di coacervato di polielettroliti, Matthew Tirrell, preside della Pritzker School of Molecular Engineering presso l'Università di Chicago.
"Gli scienziati hanno risolto il problema della coalescenza delle goccioline di olio aggiungendo molecole di tensioattivo che vanno all'interfaccia delle goccioline di olio, impedendo alle goccioline di fondersi", ha affermato Douglas. Ha continuato:"Recentemente, una tecnologia simile è stata applicata per coacervare le goccioline in cui sono state utilizzate catene polimeriche specializzate per rivestire l'interfaccia delle goccioline, vietandone efficacemente la coalescenza. Tuttavia, tali rivestimenti molecolari vietano il trasporto di materiale dentro e fuori le goccioline, rendendole inefficaci per il bioreattore applicazioni."
"Volevo stabilizzare queste goccioline senza introdurre alcuna molecola aggiuntiva", ha affermato Aman Agrawal, lo studente laureato del Karim Research Group che guida il progetto. Dopo mesi di ricerca, Agrawal ha scoperto che "quando le goccioline di coacervato vengono trasferite dalla loro soluzione salina originale all'acqua distillata, la loro interfaccia tende ad acquisire una forte resilienza contro la coalescenza". I ricercatori propongono che questa stabilità delle goccioline sia dovuta a una perdita di ioni dall'interfaccia delle goccioline nell'acqua distillata causata da un brusco cambiamento nella concentrazione di ioni. Agrawal ha quindi studiato queste goccioline stabili sotto un campo elettrico, dimostrando come formare catene di goccioline sotto un campo CA e quindi spostandole con un campo CC.
"Questo nuovo sviluppo nel campo del coacervato", ha affermato Tirrell, "ha potenziali applicazioni nella somministrazione di farmaci e altre tecnologie di incapsulamento. Nella biologia di base, questo meccanismo potrebbe spiegare perché gli organelli intracellulari e i condensati biologici e le protocellule prebiotiche (possibili agenti all'origine di vita) hanno la stabilità che hanno." Recenti misurazioni hanno dimostrato che cellule di vario tipo possono essere manipolate in modo piuttosto simile alle goccioline di coacervato stabilizzate con l'applicazione di campi elettrici, suggerendo che la polarizzabilità delle goccioline di coacervato potrebbe avere ramificazioni significative per la manipolazione di numerosi materiali biologici composti da polimeri carichi. + Esplora ulteriormente
