在不直接操纵水或使用刚性容器的情况下，将水限制在封闭隔间内的能力是一种很有吸引力的可能性。在最近的一项研究中，Sara Coppola和意大利生物材料、智能系统、工业生产工程和先进医疗生物材料部门的一个跨学科研究团队，提出了一种基于水的，自底向上在定制的适应性套装中包裹易逝、短命的水的轮廓。
在这项工作中，他们使用了一种生物相容性的聚合物它可以以前所未有的自由度自我组装水表面形成一层薄膜。他们将聚合物薄膜定制为液体核心的外部容器或独立层。科学家们描述了这种物质的物理特性和形态膜并提出了该现象从纳米尺度到宏观尺度的多种应用。这个过程可以成功地封装细胞或微生物而不造成伤害，为芯片上的器官和点滴实验室实验开辟了一条突破性的道路。研究结果发表在科学的进步．
在材料科学中，通过自下而上的工程，从纳米尺度到微观尺度，将材料分离、工程和塑造成二维或三维物体的可能性越来越重要。了解材料的物理和化学将允许各种应用在微电子学，药物输送，取证,考古学、古生物学和空间研究。材料科学家使用各种技术方法进行微加工，包括双光子聚合，软干涉光刻，复制成型和自折叠聚合物来塑造和分离感兴趣的材料。然而，大多数材料工程协议需要化学和物理预处理，以获得所需的最终性能。
聚合物在水面的包装。(A) PLGA膜的形成机制是聚合物溶液的相通过表面张力在自由水面上扩散，而DMC溶剂扩散，导致PLGA膜的凝固。水的包装方法显示在稳定/静态和动态/不稳定条件下:(B)在疏水性基板上的无底液滴和(C)包裹，实时地从针头流出的液滴。(D)两板间稳定液桥壁上的三维封装方法说明。资料来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aat5189
与使用固体模具制造微型和纳米结构材料的传统方法不同，科学家们现在专注于空气-液体或液体-液体界面，以制造有序组装的纳米颗粒或晶体外壳，以设计微型和纳米结构的聚合物膜。该技术的主要缺点是产生了浸入水中的聚合物滴，而不是独立的聚合物套件。在本工作中，Coppola等人从现有的方法出发，旨在将实验范围扩大到聚合物包裹液体、无机和有机微物体或微结构表面，并去除加工后的液芯。
科学家们在目前的工作中提出了一种实验方法，直接塑造聚合物膜，然后封装微体。该过程包括生物相容性聚合物在水面上的自组装，具有灵活性和可重复性。科波拉等人选择聚(乳酸-有限公司乙醇酸)PLGA具有结构可调、药物释放效率高、生物安全性和生物相容性好的特点。他们允许聚合物薄膜作为液体核心的外部容器，并建议在温和条件下将该技术用于微柱、有机和无机微物体以及胶体颗粒，以便在膜内容纳微生物和细胞。
在实验中，Coppola等人将PLGA等生物相容性聚合物溶液滴入碳酸二甲酯(DMC)中，并将其置于水滴表面，立即形成无孔膜。该过程允许聚合物溶液包裹在液滴顶部的自由水面上，并创建一个新的界面。聚合物薄膜在自由的水表面延伸，以获得液体的形状和结构，用作二维或三维模板。然后，他们在不同的液体上测试了制造过程，如细胞培养基、磷酸盐缓冲盐水和其他含有水成分的缓冲溶液。
生物相容性涂层覆盖在含有活生物体的滴入式实验室系统上。左图是一滴水，里面有秀丽隐杆线虫。PLGA膜包裹着液滴，诱导生物体瞬间瘫痪。这个过程甚至是可逆的:剥去细胞膜使秀丽隐杆线虫像以前一样活动。资料来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aat5189
他们甚至在动态和不稳定的条件下——例如，在玻璃载玻片上的一滴和从针头上流出的一滴上——也能制造出聚合物薄膜。为了证明液体体积的完全封装，科学家们在聚四氟乙烯载玻片上形成了两个独立的无底液滴，其中一个被膜包裹着。在倾斜表面时，自由水滴沿着基底移动，而涂有膜的水滴仍然不可移动并固定在玻璃上。在其作用机理中，薄膜与水接触后立即形成，当溶剂与水一起蒸发时，剩余的聚合物保持三维结构。
薄膜在大气压力下不会坍塌，并且薄膜充当液滴上类似聚合物外壳的外部涂层。科学家们使用了多种膜表征方法，包括扫描电子显微镜(SEM)、水接触角和杨氏模量测量。扫描电镜图像显示了具有均匀表面和均匀厚度的无孔对称结构。当他们测量膜上的水接触角时，结果显示聚合物具有轻微的亲水性(亲水)。科学家们研究了PLGA膜的力学性能，并计算了氧透性和水蒸气透性。该膜具有很高的透氧性，这是生物医学应用的重要参数。
有PLGA膜和没有PLGA膜的光滑测试。资料来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aat5189
科学家们在实验室滴注实验中使用这种材料作为外部涂层，形成了三维实时观测的新方法。作为原理证明，他们研究了模式生物秀丽隐杆线虫在聚合物泡中。为此，他们将微生物(MO)置于水溶液中，并将PLGA膜包裹在液滴周围，以显示MO的运动立即停止。当秀丽隐杆线虫粘附在水- plga膜上时，由于膜的渗透性，氧气继续流动以维持其生存。在去除膜后，MO行为的突变发生逆转，恢复正常的运动性。这一过程使科学家们可以在不使用有害药物来阻止它们运动的情况下观察这些生物。Coppola等人提出了进一步的实验，以了解微小聚合物滴内生物的行为。
然后，他们测试了在复杂的轮廓或障碍物以及水凝胶材料上保持这种现象的可能性。利用微柱阵列，科学家们观察到聚合物膜包裹了底层的微图案，并产生了带有排列凸起的峰谷形状的聚合物膜。这样的功能将允许Coppola等人使用聚合物系统设计细胞培养基质、组织工程支架和药物输送系统。
类似地，当他们用水凝胶材料测试该技术时，只需将聚合物滴入或将聚合物喷洒在旋转的水凝胶圆柱体上，就能形成连续的聚合物薄膜。利用这种方法，他们用微立方体、菱形和圆柱形的不同模具生产了聚合物薄膜，用于各种应用。
控制聚合物膜上细胞-物质相互作用。不同形状的水凝胶上的聚合物膜及其上生长的细胞示意图:(A)球形，(B)立方体，(C)微柱基质。用LSM ConfoCor 710(蔡司)收集肌动蛋白丝和黏附病灶的数字图像。用543 nm He-Ne激光激发TRITC - phalloidin偶联肌动蛋白纤维，并在560 ~ 600 nm范围内采集其辐射。资料来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aat5189
科学家们使用聚合物水凝胶结构作为细胞培养实验的支架，观察各种形状的细胞生长，包括微球立方体和聚合物模式。在PLGA中培养人间充质干细胞(hMSCs) 24小时后，科学家们将细胞骨架和细胞核可视化，以显示细胞体在聚合物膜上的伸长;表明有足够的细胞粘附。该技术不损害细胞培养物或微生物，形成了一种新的、简单的方法来设计具有潜在可扩展性的微流控芯片上器官聚合物薄膜。
通过这种方式，Coppola等人开发了一种环保、经济、基于水的自下而上的工程方法，使生物聚合物能够在水滴和其他3d模板上自组装。科学家们建议将这种材料用于伤口愈合的生物医学领域的一系列应用，如滴液实验室和芯片实验室设备。他们设想利用半导体纳米粒子或量子点优化聚合物薄膜的功能，为未来生命系统的临床光疗开辟新的途径。
了下:技术+产品，•先进
