Manipular partículas sólidas de alguns micrômetros de tamanho usando um campo elétrico tem sido de grande interesse para os físicos. Essas partículas controláveis ​​podem ser montadas em cadeias dinâmicas que podem controlar efetivamente o fluxo de líquidos em tubos finos como capilares. A substituição dessas partículas sólidas por gotículas líquidas permitiria aplicações eletrorreológicas anteriormente inatingíveis em biotecnologia, pois gotículas líquidas podem armazenar e utilizar várias biomoléculas, como enzimas. Até agora, não era possível utilizar gotículas líquidas para eletrorreologia, pois elas tendem a coalescer ou deformar, tornando-as ineficazes como fluidos eletrorreológicos.
Nova pesquisa liderada pela Faculdade de Engenharia Cullen da Universidade de Houston* em colaboração com o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e a Universidade de Chicago, mostrou um caminho simples para estabilizar gotículas de coacervados de polieletrólitos que não coalescem ou se deformam sob um campo elétrico. O estudo foi publicado recentemente na revistaProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).

Habilitadas pela alta polarizabilidade e carga residual da superfície, essas gotículas "estabilizadas" podem ser direcionadas em um ambiente aquoso usando uma fonte de baixa tensão, por exemplo, bateria de 9V. Conhecidas como coacervados, essas gotículas contêm polímeros carregados que permitem o encapsulamento de espécies carregadas biologicamente relevantes, como proteínas e genes. Assim, eles têm o potencial de transportar e entregar uma variedade de cargas úteis nas indústrias de manufatura e médica.

As gotículas de coacervado se formam quando dois polímeros de cargas opostas, também chamados de polieletrólitos, se reúnem em um estado condensado em uma solução salina. Mais especificamente, a solução geralmente se converte rapidamente em um sistema bifásico, com as gotículas de coacervado rico em polímero suspensas na solução circundante. As gotículas são do tamanho de dezenas de mícrons, aproximadamente do tamanho de células biológicas típicas. De fato, essas gotículas demonstraram realizar várias reações biologicamente relevantes. No entanto, as gotículas coacervadas têm uma grande desvantagem - elas se fundem para formar gotículas cada vez maiores por coalescência até que todas as gotículas se fundam para formar uma camada macroscópica sedimentada devido à sedimentação por gravidade.

"Pense em misturar uma colher de azeite em um copo de água e agitá-lo vigorosamente. Inicialmente, você verá pequenas gotículas que tornam a mistura turva, mas com o tempo essas gotículas se fundem para formar camadas separadas de óleo e água. Da mesma forma, biorreatores de gotículas ou fluidos eletrorreológicos feitos de coacervados falham com o tempo quando as gotículas coalescem para formar camadas", disse Alamgir Karim, Dow Chair e Welch Foundation Professor da Universidade de Houston, que liderou o projeto de pesquisa, trabalhando com Jack F. Douglas, um colega de tempo e físico de polímeros do NIST, com insights fornecidos pelo especialista em coacervados de polieletrólitos, Matthew Tirrell, reitor da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago.

“Os cientistas resolveram o problema da coalescência das gotículas de óleo adicionando moléculas de surfactante que vão para a interface das gotículas de óleo, proibindo a fusão das gotículas de óleo”, disse Douglas. Ele continuou:"Recentemente, tecnologia semelhante foi aplicada para coacervar gotículas onde cadeias poliméricas especializadas foram usadas para revestir a interface de gotículas, efetivamente proibindo sua coalescência. formulários."

"Eu queria estabilizar essas gotículas sem introduzir nenhuma molécula adicional", disse Aman Agrawal, estudante de pós-graduação do Grupo de Pesquisa Karim que lidera o projeto. Após meses de pesquisa, Agrawal descobriu que "quando as gotículas de coacervado são transferidas de sua solução salina original para água destilada, sua interface tende a adquirir uma forte resiliência contra a coalescência". Os pesquisadores propõem que essa estabilidade das gotículas se deve a uma perda de íons da interface da gotícula para a água destilada, impulsionada por uma mudança abrupta na concentração de íons. Agrawal então estudou essas gotículas estáveis ​​sob um campo elétrico, demonstrando como formar cadeias de gotículas sob um campo AC e depois movendo-as com um campo DC.

"Este novo desenvolvimento no campo de coacervados", disse Tirrell, "tem aplicações potenciais na entrega de drogas e outras tecnologias de encapsulamento. Em biologia básica, esse mecanismo pode explicar por que organelas intracelulares e condensados ​​biológicos e protocélulas prebióticas (possíveis agentes na origem de vida) têm a estabilidade que eles têm." Medidas recentes mostraram que células de vários tipos podem ser manipuladas de forma bastante semelhante às gotículas de coacervado estabilizado com a aplicação de campos elétricos, sugerindo que a polarizabilidade das gotículas de coacervado pode ter ramificações significativas para a manipulação de numerosos materiais biológicos compostos por polímeros carregados. + Explorar mais

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