Многие лекарства, вакцины, косметика и лосьоны представляют собой эмульсии, в которых крошечные капли одной жидкости взвешены в другой жидкости. Заправка для салатов из уксуса и оливкового масла — еще один пример простой эмульсии.
Ученые также могут создавать более сложные эмульсии, такие как двойные эмульсии, например, вода, взвешенная внутри масляных капель, взвешенных в воде. В новой статье команда MIT разработала простой способ создания таких эмульсий.
Они также могут точно настроить конфигурацию капель, добавляя различные химические вещества или подвергая их воздействию света или различных уровней кислотности.
Такой контроль динамических свойств эмульсий может облегчить ученым адаптацию их к конкретным приложениям. Новый метод также позволяет быстро и в крупных масштабах производить такие капли.
«Мы считаем, что, имея этот точный и простой способ управления морфологией сложной эмульсии, мы сможем настроить эти физические и химические свойства, чтобы использовать их в наших интересах», — говорит Лорен Зарзар, постдок из Массачусетского технологического института и ведущий автор. статьи с описанием нового метода в феврале.
25 онлайн-издание журнала Nature.
Старшие авторы статьи — Тимоти Сваджер, Джон Д. МакАртур, профессор химии, и Даниэль Бланкштейн, Герман П. Мейснер профессор химического машиностроения.
Другие авторы — аспирант Вишну Срешт и постдоки Эллен Слеттен и Джулия Калоу.
Конфигурация управления
Самый простой способ сделать эмульсию — это встряхнуть две жидкости, такие как масло и вода, которые не растворяются друг в друге, вместе с поверхностно-активным веществом — химическим веществом, таким как мыло, которое снижает поверхностное натяжение между двумя жидкостями. Эмульсии обычно используются для лекарств, которые принимают внутрь; они состоят из лекарства, переносимого масляными каплями, взвешенными в воде.
Это предотвращает расщепление лекарств в организме до того, как они достигнут места назначения.
В последнее время ученые заинтересовались созданием более сложных эмульсий, таких как двойные эмульсии, которые добавляют еще один слой, окружающий капли, и могут обеспечить пероральную доставку лекарств, которые не могут быть растворены в масле, а также другие применения.
Предыдущие исследования показали, что такую эмульсию можно приготовить с помощью микрожидкостного устройства, которое сжимает пузырьки масла в капли воды, которые плавают в потоке масла. Однако это лучше всего подходит для мелкосерийного производства. Команда Массачусетского технологического института поставила перед собой задачу найти простой способ создания больших количеств этого типа сложной эмульсии с точным контролем над составом получаемых капель.
Для этого исследователи разработали двухэтапный процесс. Первый шаг основан на смешивании двух жидкостей, которые будут смешиваться только при температуре выше определенной; в данном случае двумя маслами являются гексан и перфторгексан. Перфторгексан похож по структуре на гексан, за исключением того, что атомы водорода, обычно присутствующие в масле, заменены атомами фтора.
При нагревании примерно до 23 градусов по Цельсию эти два масла смешиваются и превращаются в эмульсию, образуя капли масла, взвешенные в воде. При охлаждении гексан и перфторгексан внутри каждой капли разделяются, образуя сложную эмульсию.
На втором этапе исследователи добавляют смесь поверхностно-активных веществ, которые изменяют межфазное натяжение между двумя маслами и водой.
Эти поверхностно-активные вещества вступают в перетягивание каната, когда одно воздействует на границу раздела перфторгексан-вода, а другое — на границу раздела гексан-вода.
«Играя с относительными количествами этих двух поверхностно-активных веществ, мы смогли напрямую контролировать относительную силу двух межфазных натяжений», — говорит Срешт. "И взаимодействие между ними, в зависимости от того, какое межфазное натяжение больше, а какое меньше, заставляет каплю принимать определенную конфигурацию."
Это позволяет исследователям контролировать, какая жидкость подвергается воздействию, а какая скрыта внутри капли. Исследователи также могут создавать капли, в которых каждый компонент составляет одно полушарие.
Чтобы понять и настроить наблюдаемую эволюцию конфигураций капель эмульсии, исследователи разработали модель, которая может предсказывать структуру капель.
«Мы можем контролировать весь процесс этой конфигурации», — говорит Зарзар. "Эта реконфигурация очень нова.
Никто не доказал, что можно так изменить морфологию эмульсии."
Дэвид Вайц, профессор физики Гарвардского университета, говорит, что новый метод представляет собой элегантный подход к созданию сложных эмульсий.
«Традиционно было очень сложно создать эмульсию, которая одновременно и очень надежно инкапсулирует, и высвобождает контролируемым образом. Здесь у них есть очень хороший способ контролировать выпуск, который решает важную проблему », — говорит Вейц, который не принимал участия в исследовании.
"Открывать и закрывать по желанию"
Исследователи также создали капли, которыми можно управлять с помощью поверхностно-активных веществ, чувствительных к изменениям света и кислотности, что дало им еще больше способов манипулировать конфигурациями капель. Сейчас они пытаются разработать поверхностно-активные вещества, которые были бы чувствительны к другим молекулам, таким как углекислый газ или конкретный белок, позволяя каплям действовать как сенсоры для этих молекул.
Исследователи зарегистрировали два патента на эту технологию, которые, по их мнению, должны быть привлекательными для широкого спектра приложений.
«Вы можете использовать эти эмульсии для приложений доставки, приложений очистки, всего, где вам нужно что-то защитить, защитить что-то или забрать и доставить что-то», — говорит Срешт. "Это похоже на пакет, который можно открывать и закрывать по желанию."
Еще одно возможное применение — диагностика. Эти капли очень чувствительны к количеству присутствующего сурфактанта, что может быть полезно для диагностики заболеваний легких, таких как астма, для которых характерен недостаток легочного сурфактанта.
Помимо поиска возможных вариантов использования этих капель, исследователи также ищут другие типы жидкостей, которые можно было бы использовать для создания такой эмульсии, то есть жидкости, которые смешиваются только при определенных температурах, включая более высокие температуры, чем те, которые есть сейчас. с использованием.
Исследование финансировалось программой Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Program, U.S. Армейская исследовательская лаборатория, U.S.
Управление армейских исследований и Национальные институты здравоохранения.
