Ловушка для эмульсии: нанометровый компартмент для монодисперсных капель

Что общего между молоком, сливочным маслом, майонезом и маргарином? То, что это все продукты питания, будет верным ответом, но слегка поверхностным. Все эти вещества являются эмульсиями, то есть результатом смешивания двух веществ без полного их слияния. Самым ярким примером эмульсии является вода, смешанная с подсолнечным маслом. Со временем, конечно, произойдет самопроизвольное разрушение, когда вода осядет, а масло поднимется. Существует несколько методик продления жизни эмульсии. Ученые из Калифорнийского университета придумали еще один, но с небольшим нюансом в виде наноразмерных колб U-образной формы, в которых эмульсия не разрушается длительное время. Из чего сделаны нано-колбы, что позволяет им «ловить» микрокапли эмульсии, и где можно применить данную разработку на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В разделении вещества на отдельные и равные по объему части не является чем-то новым. На протяжении многих лет методики, реализующие этот процесс, используются как в исследованиях в области молекулярной биологии, так и в медицине.

Сам процесс разделения жидкости на части был реализован посредством микромасштабных скважин, камер с клапанами, а также путем создания монодисперсных капель из совмещенных потоков воды и нефти. Разделение объема образца на более мелкие однородные компартменты позволяет концентрировать отдельные объекты (клетки или молекулы) в подмножестве этих компартментов при минимизации фона, что приводит к повышению чувствительности и сокращению времени реакции. Данные техники позволили провести ранее невозможные исследования, от подсчета отдельных нуклеиновых кислот и белков до детального анализа клеток на основе их секрета или молекулярных компонентов.

Однако, как заявляют ученые, микрожидкостные технологии, несмотря на их значимость, развиваются достаточно медленно ввиду их сложности. В лабораторных условиях для производства микрожидкостных чипов необходимы знания в области микропроизводства, навыки работы с микрожидкостными устройствами, специальные инструменты и, естественно, стерильное помещение. Конечно, существуют и коммерчески доступные эквиваленты микрожидкостных устройств, которые нацелены на выполнение одной задачи (например, секвенирование РНК). Однако такие устройства крайне ограничены в своих возможностях.

Основная проблема, по мнению ученых, заключалась в том, что скопление капель в несмешивающейся жидкости будет метастабильным, если имеется достаточно энергии для их создания, а также будут присутствовать поверхностные эффекты, стабилизирующие интерфейс между двумя несмешивающимися фазами. Другими словами, мы возвращаемся к вопросу самопроизвольного разрушения эмульсии.

Слияние (коалесценция) капель, которое также нежелательно в эмульсиях, тоже несет в себе негативные эффекты. Коалесценция вызывает термодинамическое равновесие, что приводит к неоднородным размерам капель, которые могут изменяться с температурой или временем.

Решение этой проблемы должно идти по пути управления гидродинамикой распада или кинетикой повторного слияния. Однако ученые решили уделить больше внимания проектированию межфазной энергии капли как функции объема. В рассматриваемом нами сегодня труде они изучили, как изменения функциональной формы ландшафта объема-энергии могут привести к стабильному созданию капель однородного размера.

Модулируя объемно-энергетический ландшафт растущей капли с помощью микрочастиц, удалось описать механизм создания однородных водных компартментов нанометрового размера с помощью простых этапов перемешивания и центрифугирования.

Созданные капли «ловятся» специальными трехмерными микрочастицами DCP (drop-carrier particles, т.е. частицы-носители капель), которые содержат материалы с заданным межфазным натяжением: внешний гидрофильный слой и внутренний гидрофобный слой.


Изображение №1

Производство однородных капель осуществлялось посредством смешивания или пипетирования DCP частиц с тестируемой жидкость. Применение искусственных компартментов U-образной формы (т.е. DCP частиц) позволило одновременно получить десятки тысяч капель эмульсии в течение 30 секунд.

Теоретический базис

В двухфазной системе межфазная энергия увеличивается линейно с увеличением площади поверхности. Для изолированной сферы объемом V = 4πr³/3) энергия масштабируется как 4πr² ~ V^(2/3) (2A), что является вогнутой функцией объема.


Изображение №2

Для эмульсионных сферических капель нет локального минимума в размере, а вероятность слияния соседних капель очень велика из-за общего уменьшения площади поверхности. Если соотношение объема и межфазной энергии (V-E) является выпуклым на кривой, то для капли энергетически выгодно разделиться на равные объемы. Этот процесс разделения будет продолжаться до бесконечности, что опять же приведет к отсутствию локального минимума в размере капли.

Однако, если кривая V-E переходит от выпуклой к вогнутой, ожидается, что капля, разделяющаяся на две дочерние капли, будет равномерно разбиваться для меньших объемов и асимметрично разбиваться для больших объемов. Причем в одном случае капля удерживает предпочтительный объем близко к точке перегиба на кривой V-E, а в другом — содержит оставшийся объем.

Предполагается, что для общего объема жидкости, превышающего количество капель, умноженное на предпочтительный объем для каждой капли, процессе асимметричного разделения приведет к накоплению капель предпочтительного объема.

Ученые считают, что такая выпукло-вогнутая форма функции достижима с использованием микроструктур (т.е. DCP), чья длина будет сопоставима с размерами капель, выбранных для захвата.

В случае малого объема предполагается, что начальная область кривой V-E будет вогнутой, поскольку маленькая капля ведет себя как сферический колпачок на поверхности, пока не достигнет размеров, соизмеримых с компартментом.

Данная фаза «растекания» при малом объеме капель, в которой увеличение объема сопровождается уменьшением скорости увеличения поверхностной энергии (вогнутая энергия), создает основу для фазы «расширения» (выпуклая энергия), в которой межфазная энергия увеличивается быстрее с увеличением объема по мере того, как капля заполняет компартмент.

Наконец, при больших объемах кривая V-E возвращается к вогнутой форме, соответствующей поведению свободной капли.

Однако, в случае использовании обычных топологий поверхностей компартмента, подобные процессы невозможны. Следовательно, необходимо внедрить в компартмены элементы, которые будут ограничивать капли. Такими элементами стали внешний гидрофильный и внутренний гидрофобный слои компартмена.

Моделирование DCP частиц

DCP, взаимодействующие с тестовой жидкостью, создают уникальные энергетические минимумы в соотношении V-E, что приводит к термодинамической стабилизации капель определенных объемов.

Моделирование процесса проникновения капель в U-образные DCP показывает наличие начальной фазы «растекания», поскольку небольшой объем диспергированной жидкости образует одиночную сферическую крышку (метка i на 2A). Уменьшенный наклон кривой V-E соответствует образованию соединяющего катеноида* (метка ii и iii на 2А).

Катеноид* — минимальная поверхность, образуемая вращением цепной линии.

При промежуточных объемах капля взаимодействует более чем с двумя поверхностями, и наблюдается локальный максимум (метка iii и iv на 2А). Как только внутренний объем DCP заполнен, начинается инфляционная фаза (т.е. фаза расширения), в которой энергия увеличивается с увеличением объема с повышенной скоростью (между метками iv и v на 2А). При еще больших объемах поведение капли приближается к асимптотическому условию сферической капли, возвращаясь к вогнутой кривой V-E.

Следовательно, DCP, взаимодействующие с жидкостью, будут успешно поглощать капли определенного объема (2B). Дополнительное моделирование, в котором были изменены габариты DCP (та же ширина, но другая длина), показало, что геометрию компартментов можно менять для улавливания капель разного объема.

Результаты экспериментов

В ходе экспериментов были проведены наблюдения за расщеплением объема посредством созданных DCP компартментов.

Используемая система была достаточно велика, чтобы точно контролировать положение соседних частиц, и в то же время достаточно мала, чтобы в механике преобладали капиллярные эффекты (2В).


Плотность жидкостей и скорость разделения DCP были отрегулированы таким образом, чтобы число Бонда* и число Рейнольдса* были << 1. К примеру, дабы обеспечить соответствие плотности водной и масляной фаз, был использован полипропиленгликоль.

Число Бонда* — критерий подобия в гидродинамике, определяющий соотношение между внешними силами и силами поверхностного натяжения.

Число Рейнольдса* — величина, описывающая отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах.

В ходе экспериментов при разных водных объемах и одном DCP наблюдались такие же переходы в морфологии капель, как и во время моделирования (2В). В случае применения двух DCP наблюдалось два основных режима, которые соответствовали теоретическим предсказаниям, основанным на кривых V-E (2C).

В одном режиме происходило равномерное разделение изначальной капли на дочерние (общий объем V_N от 2 до 4 V₀, где V₀ — объем в локальном минимуме энергии). Однако, если объем был выше критической отметки в 4 V₀, то одна из дочерних капель находилась в фиксированном предпочтительном объеме, независимо от общего объема. К примеру, для общих объемов > 4 V₀ меньшая дочерняя капля поддерживала довольно однородный предпочтительный объем 1.59 ± 0.14 V₀.

Учитывая асимметрию разделения капель, можно использовать DCP двух типов, когда один тип поглощает капли заданного объема, а второй — все оставшиеся.

Оптофлюидное формирование

На данном этапе исследования было решено изготовить DCP компартменты на два порядка меньше размером, чем в предыдущих тестах (около 100 мкм в длину). Для этого был использован созданный учеными метод оптического переходного жидкостного формования (OTLM от optical transient liquid molding), в котором настраиваемые одновременные потоки растворов форполимеров поли(этиленгликоль)диакрилата (PEGDA) и поли(пропиленгликоль)диакрилат (PPGDA), позволяющие создавать желаемую морфологию поперечного сечения.

Форма частицы формируется в одном направлении с использованием эффектов инерционной жидкости и в ортогональном направлении с использованием фотолитографических процессов (3А).


Изображение №3

Структурой поперечного сечения можно управлять, регулируя соотношение объемов форполимеров и последовательность столбов по длине канала, которые деформируют потоки форполимеров контролируемым образом. Для этого было использовано разработанное ранее программное обеспечение с открытым кодом FlowSculpt и uFlow, которое позволило быстро моделировать и проектировать структуру поперечного сечения совместного потока в количественном отношении и применить его для моделирования местоположения потоков PPGDA и PEGDA (3В).

Стоит отметить, что асимметрия, создаваемая разницей плотностей между потоками двух разных веществ (PPGDA и PEGDA), была устранена посредством разбавления обоих веществ с этанолом (PEGDA до 60% и PPGDA до 90%). Это привело к тому, что плотность обоих реагентов составила 0.987 г/мл. Вязкость раствора PPGDA (38.9 мПа·с) примерно в пять раз больше вязкости раствора PEGDA (7.0 мПа·с), но это различие не приводило к заметным изменениям формы потока. Использование флуоресцентного красителя во время микроскопии подтвердило наличие внутри созданной частицы слоя PEG (3С).

Посредством параллельной экспозиции через маску были созданы DCP различной формы в большом количестве (3A). Путем смещения положения ультрафиолетового излучения через область маски формировались DCP различной формы (3B). Было создано три варианта формы для DCP, каждый из которых был одинаково оснащен внутренним слоем PEG, но различался в аспекте внешнего слоя PPG. В дальнейших тестах и опытах ученые использовали DCP частицы с наивысшим уровнем инкапсуляции (3D), хотя другие варианты также были совершенно работоспособны.

По предварительной оценке, стоимость производства партии из 15000 DCP составляет около 45 долларов. Однако расходы можно снизить до 4 долларов, если увеличить длину нисходящего канала производственной установки до 24 см.

Оценка геометрии полученных DCP показала, что площадь внутреннего слоя полости составила 20000 ± 1400 мкм². Короткая и длинная оси пустого пространства, инкапсулированного внутренним слоем PEG, составили 95 ± 9 и 451 ± 13 мкм.

Ловля капель

Сам процесс образования капель, т.е. разделения эмульсии на части, не требовал дополнительного оборудования. В ходе экспериментов использовались фазы, которые не смешиваются с водой (поли(диметилсилоксан-со-дифенилсилоксан) / PSDS; полипропиленгликоль; деканол и толуол).

Фторированные масла, обычно используемые для создания микрофлюидных эмульсий, не используются, так как это приводит к агрегации DCP. Предположительно причиной тому является факт того, что межфазное натяжение между фторированной фазой и PPG (внешний слой компартмента) недостаточно мало. Решить эту проблему можно, если модифицировать внешний PPG слой с помощью фтора.

Для низковязких дисперсных фаз, таких как толуол и деканол, DCP диспергировался в дисперсной фазе, поскольку взаимодействия с небольшим объемом водного образца легко достижимы при быстром перемешивании.

Для высоковязких дисперсных фаз, таких как PSDS, частицы DCP сначала смешивались с водным образцом, чтобы обеспечить достаточное взаимодействие между частицами и водной фазой перед смешиванием.

Однако, как показал дальнейший анализ, образование капель никак не менялось в зависимости от процесса смешивания, пипетировании или центрифугирования. Также особого влияния на капли не имел порядок добавления DCP (сначала в воду либо сначала в дисперсную фазу).


Изображение №4

Микроскопические капли, образованные в PSDS и толуоле, имели объем капли, соответствующий теории и экспериментам в сантиметровом масштабе (4A).

Микроструктура окружающих частиц не только темперирует капли в эмульсии, поддерживая номинальный диаметр ND ~ 200 мкм, но также сохраняет их форму в течение длительного периода времени, сопротивляясь обычному процессу укрупнения, наблюдаемому в стандартной сферической капле эмульсии.

После формирования капли в толуоле сохраняли тот же средний объем в течение как минимум 3 дней до тех пор, пока предотвращалось испарение дисперсной фазы. А капли, образующиеся в PSDS, медленно уменьшались в объеме в течение трехдневного периода. Важно и то, что на значение ND капли влияет общий объем водной базы в эксперименте.

Для объемов, меньших, чем значение насыщения, высокий процент популяции капель лишь частично заполнен водной фазой (4B). Также было установлено, что форма DCP частицы влияет на монодисперсность (4C). Закрытые частицы (размер отверстия 60 мкм, т.е. 6% от окружности внутренней полости) имели более плотное распределение (CV ~ 11%) и четко выраженную моду в ND капли.

Однако частицы с более коротким соотношением сторон и более широким отверстием (85 мкм) показали почти в четыре раза больший разброс по размеру (CV ~ 38%). Кроме того, вокруг одной капли могут скапливаться две и более частицы с большим размером отверстия (вставка на 4С). Следовательно, для поддержания высокой степени монодисперсности капель необходимо использовать частицы с малым размером отверстия.

На графике 4D показаны распределение по округлости капель, образованных в толуоле и PSDS. Тут виден резкий контраст между стандартной эмульсией и разработанной системой. В соответствии с экспериментами в сантиметровом масштабе, форма капель минимизирует межфазную энергию системы и зависит от формы полости DCP частицы. А капли, стабилизированные поверхностно-активным веществом, принимают сферическую форму для минимизации энергии.

Ученые отмечают, что их разработка имеет большой потенциал для молекулярных и клеточных исследований, одним из важнейших требований которых является способность изолировать компартменты внутри системы для минимизации молекулярных перекрестных взаимодействий.

Для обычных капель, стабилизированных поверхностно-активным веществом (ПАВ), ПАВ могут потенциально улучшить перенос целевых молекул между фазами в зависимости от свойств поверхностно-активных веществ и целевых молекул. В случае использования DCP частиц, такого не происходит. DCP частицы также препятствуют переносу красителя при взбалтывании капель.


Изображение №5

После смешивания капель, содержащих отдельные растворы красителя, в дисперсной фазе толуола наблюдалась такая же совокупность капель без заметного обмена красителями (5A).

Учитывая факт того, что использование DCP частиц предотвращает перекрестное взаимодействие капель, ученые провели ферментный анализ, который является отличной демонстрацией данной способности.

Внутренний PEG слой частиц был дополнительно модифицирован биотином. Также слой был помечен HRP (пероксидаза хрена). Капли были изготовлены с помощью водного реагента QuantaRed.

После образования капель была проведена многократная инкубация системы для получения флуоресцентного резоруфина. HRP катализирует образование резоруфина, который накапливается в зависимости от дозы в капле, а спустя 30 минут наблюдается флуоресцентный сигнал (5B и 5C). Капли, в которых резоруфин вырабатывается ферментативно, не взаимодействуют с соседними каплями без реакции.

Далее DCP, изготовленные с биотином и без него, смешивались с 1 нМ стрептавидин-HRP, после чего выполнялся анализ QuantaRed. Спустя 24 часа инкубации можно было легко различить капли с HRP и без него (5D).

Из этого опыта следует, что капли могут образовывать однородные дочерние капли и оставаться стабильными, регулируя транспорт репортерных красителей. Капли с дисперсной фазой PSDS сохраняют > 80% низкомолекулярного красителя через 2 дня в статических условиях и > 90% красителя спустя несколько минут динамического перемешивания.

Дополнительно были проведены опыты, подтверждающие совместимость капель, образованных в PSDS, с анализом секреции отдельных клеток, демонстрируя поддержание функций и жизнеспособности клеток.

В тестовую среду были помещены клетки рака простаты LNCaP и флуорогенный субстрат, чувствительным к широкому спектру ММП, т.е. к протеазам, участвующим в инвазии раковых клеток и уклонении от иммунитета.

Полученный раствор смешали с частицами DCP, удалив лишнюю жидкость, а затем добавив PSDS для образования капель. Это привело к распределению количества клеток, занимающих каждую каплю (6А).


Изображение №6

Анализ «живые/мертвые», характеризующий ферментативную активность и проницаемость мембран, показал, что клетки остаются жизнеспособными в течение минимум 4.5 часов (6В).

Клетки также секретируют активные ММП, которые расщепляют флуорогенный субстрат, что приводит к накоплению сигнала флуоресценции, который коррелирует с количеством клеток, инкапсулированных в каждой капле (6C).

Капли, содержащие одиночные клетки, секретируют ММП на уровнях, которые приводят к генерации сигнала флуоресценции, который отличается от оного у капель без каких-либо инкапсулированных клеток (6D). Увидеть отличия в сигналах можно уже спустя 40 минут после инкубации.

Интенсивность капель увеличивается со временем со скоростью, которая зависит от количества инкапсулированных клеток (6E). Неоднородность сигнала среди капель, содержащих одинаковое количество клеток, вероятно, вызвана гетерогенностью (неоднородностью) секреции ММП среди отдельных клеток.

Также было показано, что сигнал значительно подавляется в ответ на совпадение клеток LNCaP с коктейлем из двух ингибиторов секреции (брефельдин А и монензин). Это указывает на то, что данный анализ успешно измеряет активную секрецию инкапсулированных клеток (6F). Следовательно, существует возможность крайне быстро оценить степень влияния лекарства с точностью до одной клетки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном исследовании ученые продемонстрировали новую систему захвата эмульсионных капель посредством разработанных DCP частиц. В процессе производства микроскопических компартментов были использованы вещества с разными свойствами по отношению к воде: внешний слой частицы был гидрофобный, а внутренний — гидрофильный. За счет этого захват капель осуществлялся достаточно быстро и эффективно. Также важную роль играла и геометрия частицы, выполненная в форме U-образной чаши.

Еще одна особенность этой разработки заключается в ее способности улавливать капли эмульсии заданного объема, что напрямую зависит от структуры и габаритов компартмента.

Методика «лаборатории на частицах», как ее назвали сами авторы, может стать заменой концепции «лаборатория на чипе», поскольку она не требует сложных систем и большого багажа знаний в области микропроизводства и микрофлюидики. DCP частицы достаточно легко использовать в сопряжении с обычным лабораторным оборудованием, таким как пипетки и центрифуги. За счет этого научные и диагностические лабораторные исследования могут проводиться значительно быстрее, эффективнее и дешевле, что является очевидным плюсом как для самих исследователей, так и для тех, чье здоровье напрямую зависит от проводимых тестов.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?