Gouttelettes coacervat complexes comme matériau modèle pour étudier la réponse électrodynamique des matériaux biologiques


Gouttelettes coacervat complexes comme matériau modèle pour étudier la réponse électrodynamique et la manipulation de matériel biologique

Alamgir Karim, président de Dow et professeur de génie chimique et biomoléculaire à la Fondation Welch, a dirigé l’équipe de recherche. Crédit : Université de Houston

La manipulation de particules solides de quelques micromètres à l’aide d’un champ électrique a beaucoup intéressé les physiciens. Ces particules contrôlables peuvent être assemblées en chaînes dynamiques capables de contrôler efficacement le flux de liquides dans des tubes minces tels que des capillaires. Le remplacement de ces particules solides par des gouttelettes liquides permettrait des applications d’électrorhéologie en biotechnologie qui n’étaient auparavant pas possibles, car les gouttelettes liquides peuvent stocker et utiliser diverses biomolécules, telles que des enzymes. Jusqu’à présent, il n’était pas possible d’utiliser des gouttelettes de liquide pour l’électrorhéologie, car elles ont tendance à fusionner ou à se déformer, ce qui les rend inefficaces en tant que fluides électrorhéologiques.


De nouvelles recherches menées par le Cullen College of Engineering de l’Université de Houston* en collaboration avec le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l’Université de Chicago ont montré une voie simple pour stabiliser les gouttelettes de coacervation de polyélectrolyte qui ne se lient ni ne se déforment sous un champ électrique. L’étude vient d’être publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Activées par une polarisabilité élevée et une charge de surface résiduelle, ces gouttelettes “stabilisées” peuvent être dirigées dans un environnement aqueux à l’aide d’une source basse tension, par exemple une pile 9V. Connues sous le nom de coacervats, ces gouttelettes contiennent des polymères chargés qui permettent l’encapsulation d’espèces chargées biologiquement pertinentes, telles que des protéines et des gènes. Par conséquent, ils ont le potentiel de transporter et de livrer une variété de charges utiles dans les industries manufacturières et médicales.

Des gouttelettes de coacervat se forment lorsque deux polymères de charges opposées, également appelés polyélectrolytes, se rencontrent à l’état condensé dans une solution saline. Plus spécifiquement, la solution devient souvent rapidement un système à deux phases, avec les gouttelettes de coacervat riches en polymère en suspension dans la solution environnante. Les gouttelettes mesurent des dizaines de microns, soit environ la taille de cellules biologiques typiques. En effet, il a été démontré que ces gouttelettes effectuent plusieurs réactions biologiquement pertinentes. Cependant, les gouttelettes coacervées présentent un inconvénient majeur : elles fusionnent les unes avec les autres pour former des gouttelettes de plus en plus grosses en fusionnant jusqu’à ce que toutes les gouttelettes fusionnent pour former une couche macroscopique en raison de la sédimentation par gravité.

“Pensez à mélanger une cuillère à soupe d’huile d’olive dans une tasse d’eau et secouez-la vigoureusement. Au début, vous verrez de petites gouttelettes obscurcir le mélange, mais au fil du temps, ces gouttelettes fusionnent pour former des couches séparées d’huile et d’eau. De même, les bioréacteurs à gouttelettes ou les fluides électrorhéologiques fabriqués à partir de coacervats échouent avec le temps lorsque les gouttelettes fusionnent pour former des couches », a déclaré Alamgir Karim, président de Dow et professeur de la Welch Foundation à l’Université de Houston, qui a dirigé le projet de recherche, en collaboration avec Jack F. Douglas, un collègue du NIST. et physicien des polymères, avec des informations fournies par l’expert en coacervats de polyélectrolytes Matthew Tirrell, doyen de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago.

“Les scientifiques ont résolu le problème de la coalescence des gouttelettes d’huile en ajoutant des molécules de surfactant qui vont à l’interface des gouttelettes d’huile, ce qui empêche la coalescence des gouttelettes d’huile”, a déclaré Douglas. Il a poursuivi: “Récemment, une technologie similaire a été appliquée pour coacerver les gouttelettes dans lesquelles des chaînes polymères spécialisées ont été utilisées pour revêtir l’interface des gouttelettes, interdisant ainsi leur coalescence. Cependant, de tels revêtements moléculaires interdisent le transport de matière à l’intérieur et à l’extérieur des gouttelettes, ce qui les rend inefficace pour les applications de bioréacteurs.”

“Je voulais stabiliser ces gouttelettes sans introduire de molécules supplémentaires”, a déclaré Aman Agrawal, l’étudiant diplômé du Karim Research Group qui dirige le projet. Après des mois de recherche, Agrawal a découvert que “lorsque des gouttelettes de coacervation sont transférées de leur solution saline d’origine à de l’eau distillée, leur interface a tendance à acquérir une forte résistance à la coalescence”. Les chercheurs proposent que cette stabilité des gouttelettes soit due à une perte d’ions de l’interface des gouttelettes dans l’eau distillée entraînée par un changement brusque de la concentration en ions. Agrawal a ensuite étudié ces gouttelettes stables sous un champ électrique, démontrant comment les chaînes de gouttelettes se forment sous un champ alternatif puis les déplacent avec un champ continu.

“Ce nouveau développement dans le domaine des coacervats”, a déclaré Tirrell, “a des applications potentielles dans l’administration de médicaments et d’autres technologies d’encapsulation. En biologie fondamentale, ce mécanisme peut expliquer pourquoi les organites intracellulaires et les condensats biologiques et les protocellules prébiotiques (agents possibles à l’origine de la vie) ont la stabilité qu’ils ont.” Des mesures récentes ont montré que des cellules de différents types peuvent être manipulées de manière assez similaire à des gouttelettes de coacervat stabilisées avec l’application de champs électriques, ce qui suggère que la polarisabilité des gouttelettes de coacervat pourrait avoir des ramifications importantes pour la manipulation de nombreux matériaux biologiques composés de polymères chargés.


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Plus d’informations:
Aman Agrawal et al, Manipulation de gouttelettes de coacervat avec un champ électrique, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2203483119

Fourni par l’Université de Houston

Citation: Gouttelettes coacervat complexes comme matériau modèle pour étudier la réponse électrodynamique des matériaux biologiques (4 août 2022) Extrait le 5 août 2022 de https://phys.org/news/2022-08-complex-coacervate-droplets -material- électrodynamique .html

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