Dans les sciences de la vie, les chercheurs travaillent à l'injection de drogues et d'autres molécules à l'aide de minuscules véhicules de transport. Des chercheurs de l'Université de la Sarre et de l'Université de Barcelone ont montré dans un système modèle que de petites gouttelettes d'émulsion peuvent être utilisées comme vecteurs intelligents. Ils ont développé une méthode pour produire des gouttelettes liquides autopropulsées capables de fournir une livraison contrôlée spatialement et temporellement d'une charge moléculaire. L'étude a été publiée dans Physique des communications .

"Utiliser les gouttelettes comme micro-supports en biomédecine, par exemple, est un objectif poursuivi depuis un certain temps, " dit Ralf Seemann, professeur de physique expérimentale à l'Université de la Sarre. Cependant, ces gouttelettes ne pouvaient se déplacer que passivement dans le corps, par exemple, via la circulation sanguine. Pour leur étude actuelle sur les « micro-nageurs actifs, " les physiciens de Sarrebruck ont ​​expérimenté un système modèle qui s'est développé à partir de gouttelettes d'émulsion monophasique en gouttelettes dites de Janus. Les chercheurs ont découvert qu'elles peuvent se déplacer activement et également agir comme un transporteur "intelligent" pour transporter et déposer une cargaison.

Les gouttelettes Janus se composent de deux parties :une gouttelette principale riche en eau et une gouttelette arrière riche en éthanol et en tensioactif. La cause des capacités spéciales des gouttelettes de Janus réside dans leur formation - elles passent par un total de trois étapes de développement au cours desquelles différentes interactions avec l'environnement se produisent. Les chercheurs ont pu utiliser ces étapes de développement pour « programmer » les gouttelettes en tant que porteurs actifs.

"Le point de départ est des gouttelettes homogènes, qui sont produits à partir d'un mélange eau-éthanol. Ces gouttelettes nagent dans une phase huileuse dans laquelle est dissous un tensioactif, " explique Jean-Baptiste Fleury, un chef de groupe au département. Dans la première phase de développement, l'éthanol sort de la gouttelette et se dissout dans la phase huileuse environnante. Il en résulte des tensions différentes à la surface des gouttelettes, qui provoquent l'écoulement dit de Marangoni à la surface ainsi que dans la gouttelette.

"Avec l'effet Marangoni, les liquides migrent d'une région de faible tension superficielle à une région de haute tension superficielle, " explique Martin Brinkmann, qui fait également partie de l'équipe de recherche. « Au cours de la première étape, le flux de Marangoni pousse la particule vers l'avant - un mouvement actif causé par la perte continue d'éthanol dans la phase huileuse."

À la fois, les tensioactifs de la phase huileuse migrent dans la goutte car ils veulent s'entourer préférentiellement de l'éthanol qu'elle contient. Finalement, l'eau et l'éthanol se séparent et de petites gouttelettes de mélange éthanol-tensioactif se forment dans la goutte, qui fusionnent rapidement, et en raison de l'écoulement dans la gouttelette, s'accumuler à l'arrière. A la fin de la deuxième étape, une goutte caractéristique de Janus s'est formée. Dans la troisième étape suivante, les tensioactifs à la surface de la goutte riche en eau sont attirés par l'arrière, goutte riche en éthanol, et la tension superficielle à la partie arrière de la surface est augmentée. Ce gradient fait que le liquide à la surface de la goutte avant s'écoule dans la direction de la tension superficielle la plus élevée, et met ainsi en mouvement toute la chute de Janus. « Au cours de leur formation, les gouttelettes de Janus présentent des mécanismes d'entraînement spécifiques; de plus, ils se traduisent par des champs d'écoulement différents dans les étapes respectives, " dit le Dr Brinkmann.

Les chercheurs de Sarrebruck ont ​​précisément exploré le mouvement de ces gouttelettes de Janus. "On peut observer comment ils se déplacent dans la cellule expérimentale au cours de leur développement, qui dure environ 10 à 15 minutes, et comment ils interagissent différemment avec les obstacles, selon leur stade d'évolution, " explique le Dr Fleury. La durée des différentes étapes de développement peut être contrôlée par la concentration initiale d'éthanol dans la gouttelette et sa taille. Afin de tester leurs capacités en tant que porteurs, les gouttelettes de l'expérience étaient également chargées de molécules d'ADN en tant que cargaison, qui s'accumulent dans la phase riche en éthanol.

"Notre transporteur peut traverser sélectivement des obstacles d'une géométrie et d'un état de surface spécifiques et également livrer sa cargaison de manière ciblée, " dit le professeur Seemann, résumant les résultats de son groupe de travail. Ainsi, l'étude décrit un premier mais simple exemple d'un transporteur actif programmable capable d'effectuer une livraison de fret contrôlée spatialement et temporellement.