Микротензиометр для конфокальной микроскопии Визуализация динамических интерфейсов

Воздушно-водные интерфейсы, покрытые поверхностно-активными пленками, повсеместно распространены в повседневной жизни. Закачки поверхностно-активного раствора используются для повышения нефтеотдачи с истощенных месторождений и используются в качестве решений для гидравлического разрыва сланцевого газа и нефти. Газожидкостные пены и жидко-жидкие эмульсии являются общими для многих промышленных и научных процессов в качестве смазочных материалов и чистящих средств и распространены в пищевых продуктах. Поверхностно-активные вещества и белки на границах раздела стабилизируют конформацию антител при упаковке, хранении и введении 1,2,3,4,5, стабильность слезной пленки в глазу ^6,7,8 и легочную механику 9,10,11,12,13,14, ^15.

Изучение поверхностно-активных агентов или поверхностно-активных веществ, адсорбирующих интерфейсы и их свойства, имеет долгую историю со многими различными экспериментальными методами 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . Недавней разработкой является микротензиометр капиллярного давления (CPM), который позволяет исследовать межфазные свойства на сильно изогнутых интерфейсах в гораздо меньших масштабах длины, используя при этом значительно меньше материалов, чем другие распространенные методы 9,23,24,25. Конфокальная флуоресцентная микроскопия (CFM) может быть использована для изучения морфологии липидов и белков на границах раздела воздух-вода в CPM²² или на впадинах Ленгмюра ^{20,26,27,28,29}. Здесь CPM и CFM были объединены для связи морфологических явлений с динамическими и равновесными межфазными свойствами для развития структурно-функциональных отношений для биологических и технологических интерфейсов.

Существует множество важных параметров в межфазных поверхностно-активных системах, доступных для CPM-CFM. В CPM воздушный пузырь диаметром 30-200 мкм прижимается к кончику стеклянной капиллярной трубки. В более ранних версиях CPM разность капиллярного давления между внутренней и внешней частью пузыря контролировалась с помощью водяного столба и колебательного шприцевого насоса ^9,30; новая версия, описанная здесь, заменяет их более высокоточным микрофлюидным насосом с компьютерным управлением. Поверхностное натяжение (γ) определяется с помощью уравнения Лапласа, ΔP = 2γ/R, из перепада давления через интерфейс, заданного насосом, ΔP и оптического анализа радиуса кривизны пузыря, R. Динамическое поверхностное натяжение интерфейса может быть определено с временным разрешением 10 мс после образования нового пузырька, контактирующего с объемной жидкостью, содержащей растворимое поверхностно-активное вещество. Динамика адсорбции поверхностно-активного вещества может быть описана классическим уравнением Уорда-Тордая^10,31 для определения существенных свойств поверхностно-активного вещества, включая диффузионность, поверхностное покрытие и взаимосвязь между объемной концентрацией и равновесным поверхностным натяжением. Как только достигается равновесное поверхностное натяжение, межфазная область может колебаться для измерения дилатационного модуля, регистрируя изменения поверхностного натяжения, вызванные небольшими изменениями в площади поверхности пузыря, A³². Для более сложных интерфейсов, которые развивают свои собственные внутренние структуры, такие как запутанные полимеры или белки, поверхностное натяжение, заменяется более общим поверхностным напряжением ^4,33, .

Стабильность легких во время дыхания может быть напрямую связана с поддержанием как низкого поверхностного натяжения, так и высокого модуля дилатации на альвеолярной воздушно-жидкостной границе раздела ^9,10. Все внутренние поверхности легких выстланы непрерывной пленкой эпителиальной выстилающей жидкости толщиной в микроны для поддержания гидратации тканей³⁴. Эта эпителиальная подкладочная жидкость в основном представляет собой воду, с солями и различными другими белками, ферментами, сахарами и поверхностно-активным веществом для легких. Как и в случае с любой изогнутой границей раздела жидкость-пар, капиллярное давление индуцируется давлением выше на внутренней стороне альвеолы (или пузыря). Однако, если поверхностное натяжение было постоянным везде в легких, уравнение Лапласа, ΔP = 2γ / R, показывает, что меньшие альвеолы будут иметь более высокое внутреннее давление по сравнению с более крупными альвеолами, заставляя газовое содержимое меньших альвеол перетекать в более крупные альвеолы с более низким давлением. Это известно как «нестабильность Лапласа»^9,35. Конечным результатом является то, что мельчайшие альвеолы разрушаются и заполняются жидкостью и становятся трудными для повторного раздувания, вызывая коллапс части легкого, а другие части будут чрезмерно раздуваться, оба из которых являются типичными симптомами острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС). Однако в правильно функционирующем легком поверхностное натяжение динамически изменяется, поскольку граница раздела воздух-эпителиальная жидкость в межфазной области альвеол расширяется и сжимается во время дыхания. Если , или , давление Лапласа уменьшается с уменьшением радиуса и увеличивается с увеличением радиуса, чтобы устранить нестабильность Лапласа, тем самым стабилизируя легкое⁹. Следовательно, и то, как это зависит от частоты, морфологии и состава монослоя, а также состава альвеолярной жидкости, может иметь важное значение для стабильности легких. CPM-CFM также обеспечил первые демонстрации влияния межфазной кривизны на адсорбцию поверхностно-активных веществ²⁵, монослойную морфологию²² и дилатационный модуль⁹. Небольшой объем (~1 мл) резервуара в CPM позволяет быстро вводить, удалять или обменивать жидкую фазу и сводит к минимуму необходимое количество дорогостоящих белков или поверхностно-активных веществ¹⁰.

Контрастность в изображении CPM-CFM обусловлена распределением малых фракций флуоресцентно меченых липидов или белков на границе^{раздела 16,27}. Двумерные монослои поверхностно-активного вещества часто демонстрируют боковое фазовое разделение в зависимости от поверхностного натяжения или поверхностного давления, π представляет собой разницу между поверхностным натяжением чистой границы раздела жидкость-жидкость, γ₀, и интерфейсом, покрытым поверхностно-активным веществом, γ. π можно рассматривать как 2-D «давление», вызванное взаимодействиями молекул поверхностно-активного вещества на границе раздела, который действует для снижения поверхностного натяжения чистой жидкости. При низком поверхностном давлении липидные монослои находятся в жидком дезорганизованном состоянии; это называется жидкой расширенной (LE) фазой. По мере увеличения поверхностного давления и уменьшения площади на молекулу липида липиды ориентируются друг с другом и могут подвергаться фазовому переходу первого порядка в фазовую фазу длинного порядка с конденсированной жидкостью (LC) 16,20,27. Фазы LE и LC могут сосуществовать при различных поверхностных давлениях и могут быть визуализированы, поскольку флуоресцентно помеченные липиды исключаются из фазы LC и отделяются от фазы LE. Таким образом, фаза LE яркая, а фаза LC темная при изображении с помощью CFM¹⁶.

Целью этой рукописи является описание шагов, необходимых для создания и эксплуатации комбинированного микроскопического микроскопического микроскопа. Это позволит читателю выполнять адсорбционные исследования, измерять поверхностное натяжение, реологическое поведение и одновременно изучать межфазную морфологию на микронной границе раздела воздух/вода или масло/вода. Это включает в себя обсуждение того, как вытягивать, разрезать и гидрофобизировать необходимые капилляры, инструкции по использованию режимов давления, кривизны и контроля площади поверхности, а также межфазный перенос нерастворимого поверхностно-активного вещества на изогнутый интерфейс микротензиометра.