A capacidade de confinar a água em um compartimento fechado sem manipulá-la diretamente ou usar recipientes rígidos é uma possibilidade atraente. Em um estudo recente, Sara Coppola e uma equipa interdisciplinar de investigação nos departamentos de Biomateriais, Sistemas inteligentes, Engenharia de Produção Industrial e Biomateriais Avançados para Saúde na Itália, propôs um baseado em água, abordagem de baixo para cima para encerrar o fácil, silhuetas aquáticas de vida curta em um traje adaptável feito sob medida.

No trabalho, eles usaram um polímero biocompatível que poderia se automontar com graus de liberdade sem precedentes na superfície da água para produzir uma membrana fina. Eles projetaram o filme de polímero como um recipiente externo de um núcleo líquido ou como uma camada independente. Os cientistas caracterizaram as propriedades físicas e morfológicas da membrana e propuseram uma variedade de aplicações para o fenômeno da nano à macroescala. O processo pode encapsular células ou microorganismos com sucesso sem danos, abrindo o caminho para uma abordagem inovadora aplicável para experimentos organ-on-a-chip e lab-in-a-drop. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

A possibilidade de isolar, a engenharia e a modelagem de materiais em objetos 2-D ou 3-D do nanômetro à microescala por meio da engenharia de baixo para cima está ganhando importância na ciência dos materiais. Compreender a física e a química dos materiais permitirá uma variedade de aplicações em microeletrônica, entrega de drogas, forense, arqueologia e paleontologia e pesquisa espacial. Os cientistas de materiais usam uma variedade de métodos técnicos para microfabricação, incluindo polimerização de dois fótons, litografia de interferência suave, moldagem de réplicas e polímeros autodobráveis ​​para moldar e isolar o material de interesse. Contudo, a maioria dos protocolos de engenharia de materiais requer pré-tratamentos químicos e físicos para obter as propriedades finais desejadas.

Em contraste com o método convencional de uso de moldes sólidos para criar materiais micro e nanopadronizados, os cientistas estão agora se concentrando na interface ar-líquido ou líquido-líquido para criar conchas de nanopartículas ou cristais organizados para projetar membranas poliméricas micro e nanoestruturadas. A principal desvantagem da técnica é a criação de uma gota polimérica imersa em água em vez de um conjunto de polímero independente. No presente trabalho, Coppola et al. partiu da abordagem existente com o objetivo de ampliar o experimento para envolver o líquido de polímero, micro-objetos inorgânicos e orgânicos ou superfícies microestruturadas e removem o núcleo líquido pós-fabricação.

Os cientistas propuseram uma abordagem experimental no presente trabalho para moldar diretamente as membranas poliméricas e encapsular micro-corpos a partir de então. O processo consistiu na automontagem de um polímero biocompatível acima da superfície da água com agilidade e reprodutibilidade. Coppola et al. escolheu poli (láctico- co -ácido glicólico) (PLGA) devido à sua estrutura ajustável, eficiência de liberação de drogas, alta biossegurança e biocompatibilidade. Eles permitiram que o filme de polímero fosse o recipiente externo de um núcleo líquido e propuseram o uso da técnica em micropilares, micro-objetos orgânicos e inorgânicos e partículas coloidais sob condições moderadas, para acomodar microorganismos e células dentro das membranas daí em diante.

Nos experimentos, Coppola et al. dissolveu uma gota de uma solução polimérica biocompatível, como PLGA, em carbonato de dimetila (DMC) e colocou-a na superfície de uma gota de água para formar instantaneamente um filme não poroso. O processo permitiu que a solução de polímero envolvesse a superfície da água livre, no topo da gota e crie uma nova interface. O filme de polímero se estendeu através da superfície aquosa livre para adquirir a forma e a estrutura do líquido, que foi usado como um modelo 2-D ou 3-D. Eles então testaram o processo de fabricação em diversos líquidos, como meios de cultura de células, solução salina tamponada com fosfato e outras soluções tampão contendo um componente de água.

Eles criaram um filme polimérico mesmo durante condições dinâmicas e instáveis, por exemplo, em uma gota que está em uma lâmina de vidro e uma gota fluindo de uma agulha. Para demonstrar o encapsulamento total do volume de líquido, os cientistas formaram duas gotículas sésseis separadas na lâmina de Teflon, uma delas envolta pela membrana. Ao inclinar a superfície, a gota de água livre se moveu ao longo do substrato, enquanto a gota revestida de membrana permaneceu irremovível e ancorada ao vidro. Em seu mecanismo de ação, o filme formado imediatamente em contato com a água e quando o solvente evaporou junto com a água, o polímero restante manteve uma estrutura 3-D.

O filme não colapsou sob a pressão atmosférica e a membrana agiu como um revestimento externo semelhante a uma casca polimérica na gota de líquido. Os cientistas usaram uma variedade de métodos de caracterização de membrana, incluindo microscopia eletrônica de varredura (SEM), ângulo de contato com a água e medidas do módulo de Young. As imagens de MEV revelaram uma estrutura simétrica não porosa caracterizada por uma superfície e espessura homogêneas. Quando eles mediram o ângulo de contato da água na membrana, os resultados revelaram hidrofilicidade moderada (amorosa à água) dos polímeros. Os cientistas investigaram as propriedades mecânicas da membrana PLGA e calcularam a permeabilidade ao oxigênio e a permeabilidade ao vapor de água. A membrana mostrou uma permeabilidade muito alta ao oxigênio, que é um parâmetro importante para aplicações biomédicas.

Os cientistas usaram o material como um revestimento externo durante experimentos lab-in-a-drop para formar novos métodos para observações em tempo real em 3-D. Como prova de princípio, eles estudaram o comportamento do organismo modelo Caenohabditis elegans na bolha de polímero. Por esta, eles colocaram o microrganismo (MO) em uma solução de água e envolveram a membrana PLGA ao redor da gota de líquido para mostrar a cessação imediata do movimento de MO. Enquanto C. elegans aderiu à membrana de água-PLGA, o fluxo de oxigênio continuou devido à permeabilidade da membrana para sua sobrevivência. A mudança abrupta do comportamento do MO reverteu após a remoção da membrana para recuperar a motilidade usual. O processo permitiu aos cientistas observar os MOs sem administrar drogas prejudiciais para prevenir seu movimento. Coppola et al. propor novos experimentos para entender o comportamento dos organismos dentro das minúsculas gotas de polímero.

Em seguida, testaram a possibilidade de manutenção do fenômeno na presença de contornos ou obstáculos complexos e em materiais hidrogel. Usando matrizes de micropilares, os cientistas observaram a membrana de polímero para envolver o micropadrão subjacente e produzir filmes de polímero em forma de pico e vale com saliências em matriz. Tais funcionalidades permitirão que Coppola et al. para projetar substratos de cultura de células, andaimes para engenharia de tecidos e sistemas de entrega de medicamentos usando os sistemas de polímero.

De forma similar, quando eles testaram a técnica com materiais de hidrogel simplesmente dispensando uma gota de polímero ou pulverizando o polímero acima de um cilindro giratório de hidrogel, eles foram capazes de formar um filme de polímero contínuo. Usando o método, eles produziram filmes de polímero com diferentes moldes em forma de microcubos, losango e cilindros para uma variedade de aplicações.

Os cientistas usaram as construções de hidrogel de polímero como uma estrutura para experimentos de cultura de células para observar o crescimento celular em várias formas, incluindo cubos de microesferas e padrões de polímero. Após 24 horas de cultivo de células-tronco mesenquimais humanas (hMSCs) em PLGA, os cientistas visualizaram o citoesqueleto e os núcleos para mostrar o alongamento do corpo celular no filme de polímero; indicando aderência celular adequada. A técnica proposta não prejudicou culturas de células ou microorganismos para formar um método novo e simples para a engenharia de filmes de polímero com escalabilidade potencial para microfluídicos organ-on-chips.

Desta maneira, Coppola et al. desenvolveu um ambiente amigável, Abordagem de engenharia de baixo para cima econômica e baseada em água para permitir que um biopolímero se auto-monte em uma gota de água e em outros modelos 3-D. Os cientistas propõem o uso dos materiais para uma variedade de aplicações em biomedicina para a cicatrização de feridas, como dispositivos lab-in-a-drop e lab-on-a-chip. Eles imaginam funcionalidades otimizadas do filme polimérico com nanopartículas semicondutoras ou pontos quânticos para abrir novas rotas em fototerapia clínica em sistemas vivos no futuro.

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