Аламгир Карим, председатель Dow и профессор химической и биомолекулярной инженерии Фонда Уэлча, возглавил исследовательскую группу. Предоставлено: Университет Хьюстона.

Манипулирование твердыми частицами размером в несколько микрометров с помощью электрического поля представляет большой интерес для физиков. Эти управляемые частицы могут быть собраны в динамические цепочки, которые могут эффективно управлять потоком жидкости в тонких трубках, таких как капилляры. Замена этих твердых частиц жидкими каплями позволила бы ранее недостижимые применения электрореологии в биотехнологии, поскольку жидкие капли могут хранить и использовать различные биомолекулы, такие как ферменты. До сих пор было невозможно использовать жидкие капли для электрореологии, поскольку они склонны к слипанию или деформации, что делает их неэффективными в качестве электрореологических жидкостей.

Новое исследование, проведенное Инженерным колледжем Каллена* Университета Хьюстона в сотрудничестве с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Чикагским университетом, показало простой способ стабилизации капель полиэлектролитного коацервата, которые не слипаются и не деформируются под действием электрического поля. Исследование было недавно опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Благодаря высокой поляризуемости и остаточному поверхностному заряду эти «стабилизированные» капли могут управляться в водной среде с использованием источника низкого напряжения, например, 9-вольтовой батареи. Эти капли, известные как коацерваты, содержат заряженные полимеры, которые позволяют инкапсулировать биологически значимые заряженные частицы, такие как белки и гены. Таким образом, они имеют потенциал для перевозки и доставки различных грузов, полезных в производственной и медицинской отраслях.

Капли коацервата образуются, когда два противоположно заряженных полимера, также называемых полиэлектролитами, совместно собираются в состоянии конденсата в растворе соли. В частности, раствор часто быстро превращается в двухфазную систему с каплями коацервата, богатыми полимерами, взвешенными в окружающем растворе. Капли имеют размер в десятки микрон, что примерно соответствует размеру типичных биологических клеток. Фактически было продемонстрировано, что эти капли выполняют различные биологически значимые реакции. Однако у коацерватных капель есть главный недостаток — они сливаются друг с другом, образуя все более и более крупные капли путем слияния до тех пор, пока все капли не сольются, образуя макроскопический осевший слой из-за осаждения под действием силы тяжести.

«Подумайте о том, чтобы смешать ложку оливкового масла в чашке с водой и энергично встряхнуть ее. Вначале вы увидите маленькие капли, которые делают смесь мутной, но со временем эти капли сливаются, образуя отдельные слои масла и воды. Аналогично, капельные биореакторы или электрореологические жидкости, сделанные из коацерватов, со временем выходят из строя, когда капли сливаются, образуя слои», — сказал Аламгир Карим, председатель Dow и профессор Фонда Уэлча Хьюстонского университета, который руководил исследовательским проектом, работая с Джеком Ф. Дугласом, многолетним Бывший коллега и физик полимеров в NIST, с идеями, предоставленными экспертом по полиэлектролитным коацерватам Мэтью Тирреллом, деканом Притцкеровской школы молекулярной инженерии в Чикагском университете.

«Ученые решили проблему слияния масляных капель, добавив молекулы поверхностно-активного вещества, которые идут к границе масляных капель, препятствуя слиянию масляных капель», — сказал Дуглас. Он продолжил: «Недавно аналогичная технология была применена для коацерватных капель, где специальные полимерные цепи использовались для покрытия поверхности капель, что эффективно препятствовало их слиянию. Приложения."

«Я хотел стабилизировать эти капли без введения каких-либо дополнительных молекул», — сказал Аман Агравал, аспирант исследовательской группы Карима, возглавляющий проект. После нескольких месяцев исследований Агравал обнаружил, что «когда капли коацервата переносятся из их исходного солевого раствора в дистиллированную воду, их граница раздела имеет тенденцию приобретать сильную устойчивость к слиянию». Исследователи предполагают, что эта стабильность капель связана с потерей ионов с поверхности капель в дистиллированную воду, вызванной резким изменением концентрации ионов. Затем Агравал изучил эти стабильные капли в электрическом поле, продемонстрировав, как формировать цепочки капель в поле переменного тока, а затем перемещать их с помощью поля постоянного тока.

«Эта новая разработка в области коацерватов, — сказал Тиррелл, — имеет потенциальное применение в доставке лекарств и других технологиях инкапсуляции. В базовой биологии этот механизм может объяснить, почему внутриклеточные органеллы и биологические конденсаты, а также пребиотические протоклетки (возможные агенты происхождения жизни) обладают той же стабильностью, что и они». Недавние измерения показали, что с клетками различных типов можно манипулировать подобно стабилизированным каплям коацервата при приложении электрических полей, предполагая, что поляризуемость капель коацерватаможет иметь значительные последствия для манипулирования многочисленными биологическими материалами, состоящими из заряженных полимеров.