2019-06-02 05:45:01
快速液体包装 在三维聚合物膜中包含水的轮廓 用于实验室中的实验

将水限制在封闭隔室中而不直接操纵它或使用刚性容器的能力是一种有吸引力的可能性。在最近的一项研究中,Sara Coppola和意大利生物材料,智能系统,工业生产工程和医疗高级生物材料部门的跨学科研究团队提出了一种水基,自下而上的方法来包裹容易的短寿命水定制自适应西装的剪影。

在这项工作中,他们使用了一种生物相容性聚合物,可以在水面上以前所未有的自由度自组装,生成薄膜。他们定制设计聚合物薄膜作为液体核心的外部容器或作为独立层。科学家对膜的物理性质和形态进行了表征,并提出了从纳米尺度到宏观尺度的各种应用。该过程可以成功地封装细胞或微生物而不会造成伤害,从而为适用于片上器官和实验室中滴实验的突破性方法开辟了道路。结果现已发表在Science Advances上。

通过自下而上的工程将材料从纳米级到三维物体隔离,工程化和成型为纳米级到微米级的可能性在材料科学中变得越来越重要。了解材料的物理和化学将允许在微电子学,药物输送,法医学,考古学和古生物学和空间研究中的各种应用。材料科学家使用各种技术方法进行微加工,包括双光子聚合,软干涉光刻,复制模塑和自折叠聚合物,以塑造和隔离感兴趣的材料。然而,大多数材料工程协议需要化学和物理预处理以获得所需的最终性能。

与使用固体模具制造微米和纳米图案材料的传统方法相比,科学家们现在专注于气液或液 - 液界面,以创建有序组装的纳米颗粒或晶体的壳,以设计微米和纳米结构的聚合物膜。该技术的主要缺点是产生浸入水中的聚合物滴而不是独立的聚合物套件。在目前的工作中,Coppola等人。从现有方法开始,旨在将实验拓宽到聚合物包裹液体,无机和有机微物体或微结构化表面,并在制造后去除液体核心。

科学家们在本研究中提出了一种实验方法,可以直接塑造聚合物膜,然后封装微生物。该过程包括在水表面上方自组装生物相容性聚合物,具有灵活性和再现性。科波拉等人。由于其可调结构,药物释放效率,高生物安全性和生物相容性,选择了聚(乳酸 - 共 - 羟基乙酸)(PLGA)。它们允许聚合物薄膜成为液体核心的外部容器,并且建议在温和条件下使用微柱,有机和无机微物体和胶体颗粒的技术,以适应膜内的微生物和细胞。

在实验中,Coppola等人。将一滴生物相容性聚合物溶液如PLGA溶解在碳酸二甲酯(DMC)中,并将其置于水滴表面上,立即形成无孔薄膜。该过程允许聚合物溶液将自由水表面包裹在液滴顶部并形成新界面。聚合物膜延伸穿过自由水性表面以获得液体的形状和结构,其用作2-D或3-D模板。然后,他们在各种液体上测试制造过程,例如细胞培养基,磷酸盐缓冲盐水和含有水组分的其他缓冲溶液。

即使在动态和不稳定的条件下,它们也会形成聚合物薄膜 - 例如,在玻璃载玻片上的液滴和从针上流下的液滴。为了证明液体体积的完全封装,科学家在Teflon载玻片上形成了两个单独的固着液滴,其中一个由膜包裹。在倾斜表面时,自由水滴沿着基底移动,而膜包覆的液滴保持不可移除并锚定在玻璃上。在其作用机理中,薄膜在与水接触时立即形成,当溶剂与水一起蒸发时,剩余的聚合物保持3-D结构。

该膜在大气压下不会塌陷,并且该膜充当类似于液滴上的聚合物壳的外涂层。科学家们使用了各种膜表征方法,包括扫描电子显微镜(SEM),水接触角和杨氏模量测量。 SEM图像显示出无孔对称结构,其特征在于均匀的表面和厚度。当他们测量膜上的水接触角时,结果显示聚合物具有温和的亲水性(喜欢水)。科学家们研究了PLGA膜的机械性能,并计算了氧气渗透率和水蒸汽渗透率。该膜显示出非常高的氧渗透性,这是生物医学应用的重要参数。

科学家们在实验室中使用该材料作为外部涂层,以形成三维实时观察的新方法。作为原理验证,他们研究了模式生物Caenohabditis elegans在聚合物泡沫中的行为。为此,他们将微生物(MO)置于水溶液中并将PLGA膜包裹在液滴周围以显示MO运动的立即停止。当秀丽隐杆线虫附着在水-PLGA膜上时,由于膜的渗透性,氧气流继续存活。在移除膜时MO行为的突然变化逆转以恢复通常的运动性。该过程允许科学家观察MO,而无需使用有害药物来阻止其运动。科波拉等人。提出进一步的实验,以了解微生物聚合物滴中的生物的行为。

然后,他们测试了在复杂的轮廓或障碍物和水凝胶材料存在下维持现象的可能性。科学家使用微柱阵列观察到聚合物膜包裹下面的微图案,并产生具有阵列凸起的峰谷形聚合物薄膜。这些功能将允许Coppola等人。使用聚合物系统设计细胞培养基质,组织工程支架和药物递送系统。

类似地,当他们通过简单地分配聚合物液滴或将聚合物喷射到旋转的水凝胶圆筒上时用水凝胶材料测试该技术时,它们能够形成连续的聚合物膜。使用该方法,他们生产出具有不同模具的聚合物薄膜,其形状为微角形,菱形和圆柱形,适用于各种应用。

科学家们使用聚合物 - 水凝胶构建体作为细胞培养实验的支架,观察细胞在各种形状上的生长,包括微球体和聚合物模式。在PLGA中培养人间充质干细胞(hMSCs)24小时后,科学家将细胞骨架和细胞核可视化,以显示聚合物膜上的细胞体伸长;表明足够的细胞粘附。所提出的技术不会损害细胞培养物或微生物,从而形成一种新的简单方法来设计具有微流体器官芯片潜在可扩展性的聚合物膜。

通过这种方式,Coppola等人。开发了一种环境友好,具有成本效益和水基的自下而上的工程方法,使生物聚合物能够在一滴水和其他三维模板上自组装。科学家们建议将这些材料用于生物医学中用于伤口愈合的一系列应用,如实验室实验室和芯片实验室设备。他们设想用半导体纳米粒子或量子点优化聚合物膜的功能,以在未来的生命系统中开启临床光疗法的新途径。

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