Mikrotensiometer zur konfokalen Mikroskopie Visualisierung dynamischer Grenzflächen

Luft-Wasser-Grenzflächen, die von Tensidfilmen bedeckt werden, sind im täglichen Leben allgegenwärtig. Tensid-Wasser-Injektionen werden verwendet, um die Ölgewinnung aus erschöpften Feldern zu verbessern und werden als hydraulische Fracturing-Lösungen für Schiefergas und -öl verwendet. Gas-Flüssig-Schäume und Flüssig-Flüssig-Emulsionen sind in vielen industriellen und wissenschaftlichen Prozessen als Schmier- und Reinigungsmittel üblich und in Lebensmitteln üblich. Tenside und Proteine an Grenzflächen stabilisieren Antikörperkonformationen während der Verpackung, Lagerung und Verabreichung 1,2,3,4,5, Tränenfilmstabilität im Auge ^6,7,8 und Lungenmechanik 9,10,11,12,13,14^{, 15}.

Die Untersuchung von grenzflächenaktiven Wirkstoffen oder grenzflächenadsorbierenden Tensiden und deren Eigenschaften hat eine lange Geschichte mit vielen verschiedenen experimentellen Techniken 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . Eine neuere Entwicklung ist das Kapillardruck-Mikrotensiometer (CPM), das die Untersuchung von Grenzflächeneigenschaften an stark gekrümmten Grenzflächen auf viel kleineren Längenskalen ermöglicht, während deutlich weniger Materialien verwendet werden als andere gängige Methoden 9,23,24,25. Die konfokale Fluoreszenzmikroskopie (CFM) kann verwendet werden, um die Morphologie von Lipiden und Proteinen an den Luft-Wasser-Grenzflächen im CPM²² oder an Langmuir-Trögen^{20,26,27,28,29} zu untersuchen. Hier wurden CPM und CFM kombiniert, um morphologische Phänomene mit dynamischen und Gleichgewichtsgrenzflächeneigenschaften zu verbinden, um Struktur-Funktions-Beziehungen für biologische und technologische Grenzflächen zu entwickeln.

Es gibt zahlreiche wichtige Parameter in Grenzflächen-Tensidsystemen, die dem CPM-CFM zugänglich sind. Im CPM wird eine Luftblase mit einem Durchmesser von 30-200 μm an die Spitze eines Glaskapillarrohrs geheftet. In früheren Versionen des CPM wurde die Kapillardruckdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Blase über eine Wassersäule und eine oszillierende Spritzenpumpe^{gesteuert 9,30} ; Die hier beschriebene neue Version ersetzt diese durch eine präzisere, computergesteuerte Mikrofluidikpumpe. Die Oberflächenspannung (γ) wird über die Laplace-Gleichung, ΔP = 2γ/R, aus dem Druckabfall über die von der Pumpe, ΔP, eingestellte Grenzfläche und der optischen Analyse des Krümmungsradius der Blase, R, bestimmt. Die dynamische Oberflächenspannung der Grenzfläche kann mit einer Zeitauflösung von 10 ms nach der Erzeugung einer neuen Blase in Kontakt mit einer Schüttflüssigkeit, die ein lösliches Tensid enthält, bestimmt werden. Die Adsorptionsdynamik des Tensids kann durch die klassische Ward-Tordai-Gleichung^10,31 beschrieben werden, um wesentliche Eigenschaften des Tensids zu bestimmen, einschließlich der Diffusivität^, der Oberflächenbedeckung und der Beziehung zwischen Massenkonzentration und Gleichgewichtsoberflächenspannung^. Sobald eine Gleichgewichtsoberflächenspannung erreicht ist, kann der Grenzflächenbereich oszilliert werden, um den Dilatationsmodul zu messen, indem die Änderungen der Oberflächenspannung aufgezeichnet werden, die durch kleine Änderungen der Blasenoberfläche induziert werden, A³². Für komplexere Grenzflächen, die eigene innere Strukturen wie verschränkte Polymere oder Proteine entwickeln, wird die Oberflächenspannung, , durch eine allgemeinere Oberflächenspannung^{ersetzt 4,33,} .

Die Lungenstabilität während der Atmung kann direkt an die Aufrechterhaltung einer niedrigen Oberflächenspannung und eines hohen Dilatationsmoduls an der alveolären Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche ^9,10 gebunden sein. Alle inneren Lungenoberflächen sind mit einem kontinuierlichen, mikrometerdicken Film aus Epithelauskleidungsflüssigkeit ausgekleidet, um die Hydratation des Gewebes^{aufrechtzuerhalten 34}. Diese Epithelauskleidungsflüssigkeit besteht hauptsächlich aus Wasser, mit Salzen und verschiedenen anderen Proteinen, Enzymen, Zuckern und Lungentensid. Wie bei jeder gekrümmten Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche wird ein Kapillardruck induziert, wobei der Druck auf der Innenseite der Alveole (oder Blase) höher ist. Wenn die Oberflächenspannung jedoch überall in der Lunge konstant war, zeigt die Laplace-Gleichung, ΔP = 2γ / R, dass kleinere Alveolen einen höheren Innendruck im Vergleich zu größeren Alveolen haben würden, wodurch der Gasgehalt der kleineren Alveolen gezwungen würde, zu größeren, niedrigeren Druckalveolen zu fließen. Dies wird als “Laplace-Instabilität” ^{bezeichnet9,35}. Das Endergebnis ist, dass die kleinsten Alveolen kollabieren und mit Flüssigkeit gefüllt werden und schwer wieder aufzublasen sind, was dazu führt, dass ein Teil der Lunge kollabiert, und andere Teile würden sich überblähen, was beides typische Symptome des akuten Atemnotsyndroms (ARDS) sind. In einer gut funktionierenden Lunge ändert sich die Oberflächenspannung jedoch dynamisch, da sich die Luft-Epithel-Flüssigkeitsgrenzfläche im Grenzflächenbereich der Alveolus während der Atmung ausdehnt und zusammenzieht. Wenn , oder , nimmt der Laplace-Druck mit abnehmendem Radius ab und nimmt mit zunehmendem Radius zu, um die Laplace-Instabilität zu beseitigen und dadurch die Lunge zu stabilisieren⁹. Daher und wie es von der Frequenz, der Monolayer-Morphologie und -Zusammensetzung und der Zusammensetzung der Alveolarflüssigkeit abhängt, kann für die Lungenstabilität unerlässlich sein. Das CPM-CFM hat auch die ersten Demonstrationen der Auswirkungen der Grenzflächenkrümmung auf die Tensidadsorption²⁵, die Monolayer-Morphologie²² und den Dilatationsmodul⁹ geliefert. Das geringe Volumen (~1 ml) des Reservoirs im CPM ermöglicht die schnelle Einführung, Entfernung oder den Austausch der flüssigen Phase und minimiert die erforderliche Menge an teuren Proteinen oder Tensiden¹⁰.

Der Kontrast in einem CPM-CFM-Bild ist auf die Verteilung kleiner Fraktionen fluoreszierend markierter Lipide oder Proteine an der Grenzfläche ^16,27 zurückzuführen. Zweidimensionale Tensid-Monoschichten weisen häufig eine laterale Phasentrennung als Funktion der Oberflächenspannung oder des Oberflächendrucks auf, π die Differenz zwischen der Oberflächenspannung einer sauberen Fluid-Fluid-Grenzfläche, _{γ 0}, und einer mit Tensiden bedeckten Grenzfläche, γ. π kann als der 2D-“Druck” angesehen werden, der durch die Wechselwirkungen von Tensidmolekülen an der Grenzfläche verursacht wird, die die Oberflächenspannung der reinen Flüssigkeit senken. Bei niedrigen Oberflächendrücken befinden sich Lipidmonoschichten in einem flüssigkeitsähnlichen, unorganisierten Zustand; Dies wird als flüssig expandierte (LE) Phase bezeichnet. Wenn der Oberflächendruck zunimmt und die Fläche pro Lipidmolekül abnimmt, orientieren sich die Lipide aneinander und können einen Phasenübergang erster Ordnung in die langreichweitig geordnete flüssig kondensierte (LC) Phase 16,20,27 durchlaufen. Die LE- und LC-Phasen können bei verschiedenen Oberflächendrücken koexistieren und können visualisiert werden, da fluoreszierend markierte Lipide aus der LC-Phase ausgeschlossen sind und sich in die LE-Phase trennen. Somit ist die LE-Phase hell und die LC-Phase ist dunkel, wenn sie mit CFM¹⁶ abgebildet wird.

Das Ziel dieses Manuskripts ist es, die Schritte zu beschreiben, die notwendig sind, um das kombinierte konfokale Mikroskop-Mikrotensiometer zu bauen und zu betreiben. Dies ermöglicht es dem Leser, Adsorptionsstudien durchzuführen, die Oberflächenspannung und das rheologische Verhalten zu messen und gleichzeitig die Grenzflächenmorphologie an einer Luft-Wasser- oder Öl-Wasser-Grenzfläche im Mikrometerbereich zu untersuchen. Dazu gehört eine Diskussion darüber, wie die erforderlichen Kapillaren gezogen, geschnitten und hydrophobiziert werden können, Anweisungen für die Verwendung von Druck-, Krümmungs- und Oberflächensteuerungsmodi sowie die Grenzflächenübertragung von unlöslichem Tensid auf die gekrümmte Mikrotensiometergrenzfläche.