La possibilité de confiner l'eau dans un compartiment fermé sans la manipuler directement ni utiliser de récipients rigides est une possibilité intéressante. Dans une étude récente, Sara Coppola et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements de Biomatériaux, Systèmes intelligents, Ingénierie de production industrielle et biomatériaux avancés pour la santé en Italie, a proposé une base d'eau, approche ascendante pour encastrer facile, silhouettes aquatiques éphémères dans une combinaison adaptée sur mesure.

Dans le travail, ils ont utilisé un polymère biocompatible qui pouvait s'auto-assembler avec des degrés de liberté sans précédent à la surface de l'eau pour produire une fine membrane. Ils ont conçu sur mesure le film polymère en tant que conteneur externe d'un noyau liquide ou en tant que couche autonome. Les scientifiques ont caractérisé les propriétés physiques et la morphologie de la membrane et ont proposé une variété d'applications pour le phénomène de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. Le processus pourrait encapsuler des cellules ou des micro-organismes avec succès sans dommage, ouvrant la voie à une approche révolutionnaire applicable aux expériences d'organes sur puce et de laboratoire dans une goutte. Les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .

La possibilité de s'isoler, l'ingénierie et la mise en forme des matériaux en objets 2D ou 3D du nanomètre à l'échelle microscopique via l'ingénierie ascendante gagne en importance dans la science des matériaux. La compréhension de la physique et de la chimie des matériaux permettra une variété d'applications en microélectronique, l'administration de médicaments, médecine légale, l'archéologie et la paléontologie et la recherche spatiale. Les scientifiques des matériaux utilisent diverses méthodes techniques pour la microfabrication, notamment la polymérisation à deux photons, lithographie d'interférence douce, moulage de répliques et polymères auto-pliants pour façonner et isoler le matériau d'intérêt. Cependant, la plupart des protocoles d'ingénierie des matériaux nécessitent des prétraitements chimiques et physiques pour obtenir les propriétés finales souhaitées.

Contrairement à la méthode conventionnelle d'utilisation de moules solides pour créer des matériaux à micro- et nano-motifs, les scientifiques se concentrent maintenant sur l'interface air-liquide ou liquide-liquide pour créer des enveloppes de nanoparticules ou de cristaux assemblés de manière ordonnée afin de concevoir des membranes polymères micro- et nanostructurées. L'inconvénient majeur de la technique est la création d'une goutte polymère immergée dans l'eau au lieu d'une suite polymère autonome. Dans le travail present, Coppola et al. est parti de l'approche existante avec pour objectif d'élargir l'expérience au polymère d'emballage liquide, micro-objets inorganiques et organiques ou surfaces microstructurées et retirer le noyau liquide post-fabrication.

Les scientifiques ont proposé une approche expérimentale dans le présent travail pour façonner directement des membranes polymères et encapsuler des microcorps par la suite. Le processus consistait en l'auto-assemblage d'un polymère biocompatible au-dessus de la surface de l'eau avec agilité et reproductibilité. Coppola et al. choisi poly(lactique- co -acide glycolique) (PLGA) en raison de sa structure accordable, efficacité de libération du médicament, haute biosécurité et biocompatibilité. Ils ont permis au film polymère d'être le contenant externe d'un noyau liquide et ont proposé d'utiliser la technique sur micropiliers, micro-objets organiques et inorganiques et particules colloïdales dans des conditions douces, pour accueillir les micro-organismes et les cellules à l'intérieur des membranes par la suite.

Dans les expériences, Coppola et al. dissout une gouttelette d'une solution polymère biocompatible telle que le PLGA dans du carbonate de diméthyle (DMC) et la place sur la surface d'une gouttelette d'eau pour former instantanément un film non poreux. Le processus a permis à la solution de polymère d'envelopper la surface libre de l'eau, au-dessus de la gouttelette et créez une nouvelle interface. Le film polymère s'étendait sur la surface aqueuse libre pour acquérir la forme et la structure du liquide, qui a été utilisé comme modèle 2D ou 3D. Ils ont ensuite testé le processus de fabrication sur divers liquides tels que des milieux de culture cellulaire, une solution saline tamponnée au phosphate et d'autres solutions tampons contenant un composant aqueux.

Ils ont créé un film polymère même dans des conditions dynamiques et instables, par exemple, sur une goutte posée sur une lame de verre et une goutte coulant d'une aiguille. Pour démontrer l'encapsulation totale du volume de liquide, les scientifiques ont formé deux gouttelettes sessiles distinctes sur la lame de téflon, l'une étant enveloppée par la membrane. En inclinant la surface, la goutte d'eau libre s'est déplacée le long du substrat, tandis que la goutte membranée restait inamovible et ancrée au verre. Dans son mécanisme d'action, le film s'est immédiatement formé au contact de l'eau et lorsque le solvant s'est évaporé avec l'eau, le polymère restant a conservé une structure 3-D.

Le film ne s'est pas effondré sous la pression atmosphérique et la membrane a agi comme un revêtement externe similaire à une enveloppe polymère sur la gouttelette de liquide. Les scientifiques ont utilisé diverses méthodes de caractérisation des membranes, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB), l'angle de contact avec l'eau et les mesures du module de Young. Les images SEM ont révélé une structure symétrique non poreuse caractérisée par une surface et une épaisseur homogènes. Lorsqu'ils ont mesuré l'angle de contact de l'eau sur la membrane, les résultats ont révélé une légère hydrophilie (amoureux de l'eau) des polymères. Les scientifiques ont étudié les propriétés mécaniques de la membrane PLGA et calculé la perméabilité à l'oxygène et la perméabilité à la vapeur d'eau. La membrane a montré une très haute perméabilité à l'oxygène, qui est un paramètre important pour les applications biomédicales.

Les scientifiques ont utilisé le matériau comme revêtement externe lors d'expériences en laboratoire pour créer de nouvelles méthodes d'observation en temps réel en 3D. Comme preuve de principe, ils ont étudié le comportement de l'organisme modèle Caenohabditis elegans dans la bulle de polymère. Pour ça, ils ont placé le micro-organisme (MO) dans une solution aqueuse et enroulé la membrane PLGA autour de la goutte de liquide pour montrer l'arrêt immédiat du mouvement des MO. Alors que C. elegans adhérait à la membrane eau-PLGA, le flux d'oxygène s'est poursuivi en raison de la perméabilité des membranes pour leur survie. Le changement brusque du comportement de MO s'est inversé lors du retrait de la membrane pour récupérer la motilité habituelle. Le processus a permis aux scientifiques d'observer les MO sans administrer de médicaments nocifs pour empêcher leur mouvement. Coppola et al. proposer d'autres expériences pour comprendre le comportement des organismes au sein des minuscules gouttes de polymère.

Ils ont ensuite testé la possibilité de maintenir le phénomène en présence de contours ou d'obstacles complexes et sur des matériaux hydrogels. À l'aide de réseaux de micropiliers, les scientifiques ont observé que la membrane polymère enveloppe le micromotif sous-jacent et produit des films polymères en forme de pic et de vallée avec des bosses en réseau. De telles fonctionnalités permettront à Coppola et al. concevoir des substrats de culture cellulaire, échafaudages pour l'ingénierie tissulaire et les systèmes d'administration de médicaments utilisant les systèmes polymères.

De la même manière, lorsqu'ils ont testé la technique avec des matériaux d'hydrogel en distribuant simplement une goutte de polymère ou en pulvérisant le polymère au-dessus d'un cylindre d'hydrogel en rotation, ils étaient capables de former un film polymère continu. En utilisant la méthode, ils ont produit des films polymères avec différents moules en forme de microcubes, losange et cylindres pour une variété d'applications.

Les scientifiques ont utilisé les constructions polymère-hydrogel comme échafaudage pour des expériences de culture cellulaire afin d'observer la croissance cellulaire sur diverses formes, notamment des cubes de microsphères et des motifs polymères. Après 24 heures de culture de cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) en PLGA, les scientifiques ont visualisé le cytosquelette et les noyaux pour montrer l'allongement du corps cellulaire sur le film polymère; indiquant une adhérence cellulaire adéquate. La technique proposée n'a pas nui aux cultures cellulaires ou aux micro-organismes pour former une méthode nouvelle et simple pour concevoir des films polymères avec une évolutivité potentielle pour les organes sur puces microfluidiques.

De cette façon, Coppola et al. développé un environnement respectueux, approche d'ingénierie ascendante rentable et basée sur l'eau pour permettre à un biopolymère de s'auto-assembler sur une goutte d'eau et sur d'autres modèles 3D. Les scientifiques proposent d'utiliser les matériaux pour une gamme d'applications en biomédecine pour la cicatrisation des plaies, comme lab-in-a-drop et sur les dispositifs de laboratoire sur puce. Ils envisagent des fonctionnalités optimisées du film polymère avec des nanoparticules semi-conductrices ou des points quantiques pour ouvrir de nouvelles voies en photothérapie clinique dans les systèmes vivants à l'avenir.

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