Microtensiomètre pour la visualisation en microscopie confocale d’interfaces dynamiques

Les interfaces air-eau recouvertes de films tensioactifs sont omniprésentes dans la vie quotidienne. Les injections d’eau tensioactive sont utilisées pour améliorer la récupération du pétrole des champs épuisés et sont utilisées comme solutions de fracturation hydraulique pour le gaz et le pétrole de schiste. Les mousses gaz-liquides et les émulsions liquide-liquide sont communes à de nombreux procédés industriels et scientifiques en tant que lubrifiants et agents de nettoyage et sont courantes dans les aliments. Les tensioactifs et les protéines aux interfaces stabilisent les conformations d’anticorps pendant l’emballage, le stockage et ^{l’administration 1,2,3,4,5}, la stabilité du film lacrymal dans ^{l’œil 6,7,8} et la mécanique pulmonaire ^{9,10,11,12,13,14}, ¹⁵.

L’étude des agents tensioactifs ou des tensioactifs adsorbant les interfaces et de leurs propriétés a une longue histoire avec de nombreuses techniques expérimentales différentes ^{16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27} . Un développement récent est le microtensiomètre à pression capillaire (CPM), qui permet l’examen des propriétés interfaciales sur des interfaces très incurvées, à des échelles de longueur beaucoup plus petites, tout en utilisant beaucoup moins de matériaux que d’autres méthodes courantes 9,23,24,25. La microscopie confocale à fluorescence (CFM) peut être utilisée pour étudier la morphologie des lipides et des protéines aux interfaces air-eau dans le CPM²² ou sur les creux de Langmuir 20,26,27,28,29. Ici, un CPM et un CFM ont été combinés pour relier les phénomènes morphologiques aux propriétés interfaciales dynamiques et d’équilibre afin de développer des relations structure-fonction pour les interfaces biologiques et technologiques.

Il existe de nombreux paramètres importants dans les systèmes de tensioactifs interfaciaux accessibles au CPM-CFM. Dans le CPM, une bulle d’air de 30 à 200 μm de diamètre est épinglée à l’extrémité d’un tube capillaire en verre. Dans les versions antérieures du CPM, la différence de pression capillaire entre l’intérieur et l’extérieur de la bulle était contrôlée via une colonne d’eau et une pompe à seringue oscillatoire ^9,30 ; la nouvelle version décrite ici les remplace par une pompe microfluidique de plus grande précision, contrôlée par ordinateur. La tension superficielle (γ) est déterminée par l’équation de Laplace, ΔP = 2γ/R, à partir de la chute de charge à travers l’interface définie par la pompe, ΔP, et l’analyse optique du rayon de courbure de la bulle, R. La tension superficielle dynamique de l’interface peut être déterminée avec une résolution temporelle de 10 ms suite à la génération d’une nouvelle bulle en contact avec un liquide en vrac contenant un tensioactif soluble. La dynamique d’adsorption du tensioactif peut être décrite par l’équation classique^de Ward-Tordai ^10,31 pour déterminer les propriétés essentielles du tensioactif, y compris la diffusivité, la couverture de surface et la relation entre la concentration en vrac et la tension superficielle d’équilibre. Une fois qu’une tension superficielle d’équilibre est atteinte, la zone interfaciale peut être oscillée pour mesurer le module dilatationnel, en enregistrant les changements de tension superficielle induits par de petits changements dans la surface de la bulle, A³². Pour les interfaces plus complexes qui développent leurs propres structures internes telles que des polymères ou des protéines intriqués, la tension superficielle, , est remplacée par une contrainte de surface plus générale ^4,33, .

La stabilité pulmonaire pendant la respiration peut être directement liée au maintien d’une faible tension superficielle et d’un module dilatationnel élevé à l’interface air-liquide alvéolaire ^9,10. Toutes les surfaces pulmonaires internes sont tapissées d’un film continu de liquide de la muqueuse épithéliale d’épaisseur pour maintenir l’hydratation des tissus³⁴. Ce liquide de la muqueuse épithéliale est principalement de l’eau, avec des sels et diverses autres protéines, enzymes, sucres et tensioactifs pulmonaires. Comme c’est le cas pour toute interface liquide-vapeur incurvée, une pression capillaire est induite avec la pression plus élevée à l’intérieur de l’alvéole (ou bulle). Cependant, si la tension superficielle était constante partout dans les poumons, l’équation de Laplace, ΔP = 2γ/R, montre que les alvéoles plus petites auraient une pression interne plus élevée par rapport aux alvéoles plus grandes, forçant les teneurs en gaz des alvéoles plus petites à s’écouler vers des alvéoles plus grandes et plus basses. C’est ce qu’on appelle « l’instabilité de Laplace ^»9,35. Le résultat net est que les plus petites alvéoles s’effondreraient et seraient remplies de liquide et deviendraient difficiles à regonfler, provoquant l’effondrement d’une partie du poumon, et d’autres parties se gonfleraient à l’excès, deux symptômes typiques du syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA). Cependant, dans un poumon qui fonctionne correctement, la tension superficielle change dynamiquement à mesure que l’interface air-liquide épithélial dans la zone interfaciale alvéole se dilate et se contracte pendant la respiration. Si , ou , la pression de Laplace diminue avec un rayon décroissant et augmente avec un rayon croissant de manière à éliminer l’instabilité de Laplace, stabilisant ainsi le poumon⁹. Par conséquent, , et comment cela dépend de la fréquence, de la morphologie et de la composition de la monocouche, et de la composition du liquide alvéolaire peut être essentiel pour la stabilité pulmonaire. Le CPM-CFM a également fourni les premières démonstrations des effets de la courbure interfaciale sur l’adsorption du tensioactif²⁵, la morphologie monocouche²² et le module dilatationnel⁹. Le petit volume (~1 mL) du réservoir dans le CPM permet l’introduction, l’élimination ou l’échange rapide de la phase liquide et minimise la quantité requise de protéines ou de tensioactifs coûteux¹⁰.

Le contraste dans une image CPM-CFM est dû à la distribution de petites fractions de lipides ou de protéines marqués par fluorescence à l’interface^16,27. Les monocouches de tensioactifs bidimensionnels présentent souvent une séparation de phase latérale en fonction de la tension superficielle ou de la pression superficielle, π est la différence entre la tension superficielle d’une interface fluide-fluide propre, γ ₀, et une interface recouverte de tensioactif, γ. π peut être considérée comme la « pression » 2D causée par les interactions des molécules de tensioactif à l’interface qui agit pour abaisser la tension superficielle du fluide pur. À basse pression de surface, les monocouches lipidiques sont dans un état désorganisé semblable à un liquide; c’est ce qu’on appelle la phase d’expansion liquide (LE). Au fur et à mesure que la pression de surface augmente et que la surface par molécule lipidique diminue, les lipides s’orientent les uns avec les autres et peuvent subir une transition de phase de premier ordre vers la phase^condensée liquide ordonnée (LC) à longue distance ^16,20,27. Les phases LE et LC peuvent coexister à différentes pressions de surface et peuvent être visualisées comme des lipides marqués par fluorescence sont exclus de la phase LC et se séparent de la phase LE. Ainsi, la phase LE est lumineuse et la phase LC est sombre lorsqu’elle est imagée avec CFM¹⁶.

Le but de ce manuscrit est de décrire les étapes nécessaires à la construction et à l’exploitation du microtensiomètre combiné du microscope confocal. Cela permettra au lecteur d’effectuer des études d’adsorption, de mesurer la tension superficielle, le comportement rhéologique et d’examiner simultanément la morphologie interfaciale sur une interface air/eau ou huile/eau à l’échelle du micron. Cela comprend une discussion sur la façon de tirer, couper et hydrophober les capillaires requis, des instructions pour l’utilisation des modes de contrôle de la pression, de la courbure et de la surface, et le transfert interfacial de tensioactif insoluble à l’interface incurvée du microtensiomètre.