La capacidad de confinar el agua en un compartimento cerrado sin manipularla directamente o utilizar recipientes rígidos es una posibilidad atractiva. En un estudio reciente, Sara Coppola y un equipo de investigación interdisciplinar en los departamentos de Biomateriales, Sistemas inteligentes, Ingeniería de producción industrial y biomateriales avanzados para el cuidado de la salud en Italia, propuso una base de agua, enfoque de abajo hacia arriba para encapsular fácil, Siluetas de agua de corta duración en un traje adaptable hecho a medida.

En el trabajo, utilizaron un polímero biocompatible que podía autoensamblarse con grados de libertad sin precedentes en la superficie del agua para producir una membrana delgada. Diseñaron a medida la película de polímero como un contenedor externo de un núcleo líquido o como una capa independiente. Los científicos caracterizaron las propiedades físicas y la morfología de la membrana y propusieron una variedad de aplicaciones para el fenómeno desde la nanoescala hasta la macroescala. El proceso podría encapsular células o microorganismos con éxito sin dañar, abriendo el camino a un enfoque innovador aplicable para experimentos de órgano en un chip y laboratorio en una gota. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .

La posibilidad de aislar, La ingeniería y la conformación de materiales en objetos 2-D o 3-D desde el nanómetro hasta la microescala a través de la ingeniería ascendente está ganando importancia en la ciencia de los materiales. Comprender la física y la química de los materiales permitirá una variedad de aplicaciones en microelectrónica, entrega de medicamentos, forense, arqueología y paleontología e investigación espacial. Los científicos de materiales utilizan una variedad de métodos técnicos para la microfabricación, incluida la polimerización de dos fotones, litografía de interferencia suave, Réplica de polímeros moldeados y auto-plegables para dar forma y aislar el material de interés. Sin embargo, la mayoría de los protocolos de ingeniería de materiales requieren pretratamientos químicos y físicos para obtener las propiedades finales deseadas.

En contraste con el método convencional de usar moldes sólidos para crear materiales con micro y nano patrones, Los científicos ahora se están enfocando en la interfaz aire-líquido o líquido-líquido para crear capas de nanopartículas o cristales ensamblados ordenadamente para diseñar membranas poliméricas micro y nanoestructuradas. El principal inconveniente de la técnica es la creación de una gota polimérica sumergida en agua en lugar de un conjunto de polímero independiente. En el presente trabajo, Coppola y col. partió del enfoque existente con el objetivo de ampliar el experimento al líquido envolvente de polímero, microobjetos orgánicos e inorgánicos o superficies microestructuradas y eliminar el núcleo líquido después de la fabricación.

Los científicos propusieron un enfoque experimental en el presente trabajo para dar forma directamente a las membranas de polímero y encapsular los microcuerpos a partir de entonces. El proceso consistió en el autoensamblaje de un polímero biocompatible sobre la superficie del agua con agilidad y reproducibilidad. Coppola y col. eligió poli (láctico co -ácido glicólico) (PLGA) debido a su estructura sintonizable, eficacia de liberación de fármacos, alta bioseguridad y biocompatibilidad. Permitieron que la película de polímero fuera el contenedor externo de un núcleo líquido y propusieron utilizar la técnica en micropilares, microobjetos orgánicos e inorgánicos y partículas coloidales en condiciones suaves, para acomodar microorganismos y células dentro de las membranas a partir de entonces.

En los experimentos, Coppola y col. disolvió una gota de una solución polimérica biocompatible como PLGA en carbonato de dimetilo (DMC) y la colocó sobre la superficie de una gota de agua para formar instantáneamente una película no porosa. El proceso permitió que la solución de polímero envolviera la superficie del agua libre, encima de la gota y cree una nueva interfaz. La película de polímero se extendió a través de la superficie acuosa libre para adquirir la forma y estructura del líquido, que se utilizó como plantilla 2-D o 3-D. Luego probaron el proceso de fabricación en diversos líquidos, como medios de cultivo celular, solución salina tamponada con fosfato y otras soluciones tampón que contienen un componente de agua.

Crearon una película polimérica incluso en condiciones dinámicas e inestables, por ejemplo, sobre una gota sobre un portaobjetos de vidrio y una gota que fluye de una aguja. Para demostrar la encapsulación total del volumen de líquido, los científicos formaron dos gotas sésiles separadas en el portaobjetos de teflón, una encerrada por la membrana. Al inclinar la superficie, la gota de agua libre se movió a lo largo del sustrato, mientras que la gota recubierta de membrana permaneció inamovible y anclada al vidrio. En su mecanismo de acción, la película se formó inmediatamente al entrar en contacto con el agua y cuando el disolvente se evaporó junto con el agua, el polímero restante mantuvo una estructura tridimensional.

La película no colapsó a presión atmosférica y la membrana actuó como una capa externa similar a una cubierta polimérica sobre la gota de líquido. Los científicos utilizaron una variedad de métodos de caracterización de membranas, incluida la microscopía electrónica de barrido (SEM), Ángulo de contacto con el agua y mediciones del módulo de Young. Las imágenes SEM revelaron una estructura simétrica no porosa caracterizada por una superficie y espesor homogéneos. Cuando midieron el ángulo de contacto del agua en la membrana, los resultados revelaron una leve hidrofilia (amante del agua) de los polímeros. Los científicos investigaron las propiedades mecánicas de la membrana PLGA y calcularon la permeabilidad al oxígeno y la permeabilidad al vapor de agua. La membrana mostró una permeabilidad muy alta al oxígeno, que es un parámetro importante para aplicaciones biomédicas.

Los científicos utilizaron el material como revestimiento externo durante los experimentos de laboratorio en una gota para formar nuevos métodos de observaciones en tiempo real en 3-D. Como prueba de principio, estudiaron el comportamiento del organismo modelo Caenohabditis elegans en la burbuja de polímero. Para esto, colocaron el microorganismo (MO) en una solución de agua y envolvieron la membrana de PLGA alrededor de la gota de líquido para mostrar el cese inmediato del movimiento de MO. Mientras C. elegans se adhirió a la membrana de agua-PLGA, El flujo de oxígeno continuó debido a la permeabilidad de la membrana para su supervivencia. El cambio abrupto del comportamiento de los MO se revirtió al retirar la membrana para recuperar la motilidad habitual. El proceso permitió a los científicos observar los MO sin administrar medicamentos dañinos para prevenir su movimiento. Coppola y col. proponen más experimentos para comprender el comportamiento de los organismos dentro de las minúsculas gotas de polímero.

Luego probaron la posibilidad de mantener el fenómeno en presencia de contornos u obstáculos complejos y en materiales de hidrogel. Usando matrices de micropilares, los científicos observaron que la membrana de polímero envuelve el micropatrón subyacente y produce películas de polímero en forma de pico y valle con protuberancias ordenadas. Tales funcionalidades permitirán a Coppola et al. diseñar sustratos de cultivo celular, andamios para la ingeniería de tejidos y los sistemas de administración de fármacos que utilizan los sistemas de polímeros.

Similar, cuando probaron la técnica con materiales de hidrogel simplemente aplicando una gota de polímero o rociando el polímero sobre un cilindro de hidrogel giratorio, pudieron formar una película de polímero continua. Usando el método, produjeron películas de polímero con diferentes moldes en forma de microcubos, rombos y cilindros para una variedad de aplicaciones.

Los científicos utilizaron las construcciones de polímero-hidrogel como un andamio para experimentos de cultivo celular para observar el crecimiento celular en varias formas, incluidos cubos de microesferas y patrones de polímeros. Después de 24 horas de cultivo de células madre mesenquimales humanas (hMSC) en PLGA, los científicos visualizaron el citoesqueleto y los núcleos para mostrar el alargamiento del cuerpo celular en la película de polímero; indicando una adecuada adherencia celular. La técnica propuesta no dañó cultivos celulares o microorganismos para formar un método nuevo y simple para diseñar películas de polímero con escalabilidad potencial para órganos en chips microfluídicos.

De este modo, Coppola y col. desarrollado un medio ambiente, Enfoque de ingeniería de abajo hacia arriba rentable y basado en agua para permitir que un biopolímero se autoensamble en una gota de agua y en otras plantillas 3-D. Los científicos proponen utilizar los materiales para una variedad de aplicaciones en biomedicina para la cicatrización de heridas, como laboratorio en una gota y en dispositivos de laboratorio en un chip. Visualizan funcionalidades optimizadas de la película polimérica con nanopartículas semiconductoras o puntos cuánticos para abrir nuevas rutas en la fototerapia clínica en sistemas vivos en el futuro.

© 2019 Science X Network