Microtensiometro per microscopia confocale Visualizzazione di interfacce dinamiche

Le interfacce aria-acqua coperte da pellicole tensioattive sono onnipresenti nella vita quotidiana. Le iniezioni di tensioattivi-acqua vengono utilizzate per migliorare il recupero del petrolio dai campi esauriti e vengono utilizzate come soluzioni di fratturazione idraulica per gas e petrolio di scisto. Le schiume gas-liquido e le emulsioni liquido-liquide sono comuni a molti processi industriali e scientifici come lubrificanti e detergenti e sono comuni negli alimenti. Tensioattivi e proteine alle interfacce stabilizzano le conformazioni anticorpali durante il confezionamento, lo stoccaggio e la somministrazione 1,2,3,4,5, la stabilità del film lacrimale nell’occhio ^6,7,8 e la meccanica polmonare 9,10,11,12,13,14, ¹⁵.

Lo studio dei tensioattivi o tensioattivi adsorbenti alle interfacce e delle loro proprietà ha una lunga storia con molte tecniche sperimentali diverse 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . Uno sviluppo recente è il microtensiometro a pressione capillare (CPM), che consente l’esame delle proprietà interfacciali su interfacce altamente curve, a scale di lunghezza molto più piccole, utilizzando significativamente meno materiali rispetto ad altri metodi comuni 9,23,24,25. La microscopia a fluorescenza confocale (CFM) può essere utilizzata per studiare la morfologia dei lipidi e delle proteine alle interfacce aria-acqua nel CPM²² o sulle depressioni di Langmuir 20,26,27,28,29. Qui un CPM e cfM sono stati combinati per collegare i fenomeni morfologici alle proprietà interfacciali dinamiche e di equilibrio per sviluppare relazioni struttura-funzione per interfacce biologiche e tecnologiche.

Esistono numerosi parametri importanti nei sistemi di tensioattivi interfacciali accessibili al CPM-CFM. Nel CPM, una bolla d’aria di 30-200 μm di diametro è bloccata sulla punta di un tubo capillare di vetro. Nelle versioni precedenti del CPM, la differenza di pressione capillare tra l’interno e l’esterno della bolla era controllata tramite una colonna d’acqua e una pompa oscillatoria a siringa ^9,30 ; la nuova versione qui descritta li sostituisce con una pompa microfluidica controllata da computer a maggiore precisione. La tensione superficiale (γ) è determinata tramite l’equazione di Laplace, ΔP = 2γ/R, dalla caduta di pressione attraverso l’interfaccia impostata dalla pompa, ΔP, e l’analisi ottica del raggio di curvatura della bolla, R. La tensione superficiale dinamica dell’interfaccia può essere determinata con una risoluzione temporale di 10 ms a seguito della generazione di una nuova bolla a contatto con un liquido sfuso contenente un tensioattivo solubile. La dinamica di adsorbimento dei tensioattivi può essere descritta dalla classica equazione^di Ward-Tordai ^10,31 per determinare le proprietà essenziali del tensioattivo, tra cui la diffusività, la copertura superficiale e la relazione tra concentrazione di massa e tensione superficiale di equilibrio. Una volta raggiunta una tensione superficiale di equilibrio, l’area interfacciale può essere oscillata per misurare il modulo dilatazionale, , registrando le variazioni della tensione superficiale, indotte da piccoli cambiamenti nella superficie della bolla, A³². Per interfacce più complesse che sviluppano proprie strutture interne come polimeri o proteine entangled, la tensione superficiale, , è sostituita da una più generale sollecitazione superficiale ^4,33, .

La stabilità polmonare durante la respirazione può essere direttamente legata al mantenimento sia di una bassa tensione superficiale che di un elevato modulo dilatazionale all’interfaccia aria-liquido alveolare ^9,10. Tutte le superfici polmonari interne sono rivestite con un film continuo di fluido epiteliale di rivestimento denso di micron per mantenere l’idratazione dei tessuti³⁴. Questo fluido di rivestimento epiteliale è principalmente acqua, con sali e varie altre proteine, enzimi, zuccheri e tensioattivi polmonari. Come nel caso di qualsiasi interfaccia liquido-vapore curva, viene indotta una pressione capillare con la pressione più alta all’interno dell’alveolo (o bolla). Tuttavia, se la tensione superficiale fosse costante ovunque all’interno dei polmoni, l’equazione di Laplace, ΔP = 2γ/R, mostra che gli alveoli più piccoli avrebbero una pressione interna più elevata rispetto agli alveoli più grandi, costringendo il contenuto di gas degli alveoli più piccoli a fluire verso alveoli più grandi e a bassa pressione. Questo è noto come “Instabilità di Laplace”^9,35. Il risultato netto è che gli alveoli più piccoli collasserebbero e si riempirebbero di liquido e diventerebbero difficili da rigonfiare causando il collasso di parte del polmone, e altre parti si gonfierebbero eccessivamente, entrambi sintomi tipici della sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS). Tuttavia, in un polmone correttamente funzionante, la tensione superficiale cambia dinamicamente quando l’interfaccia aria-liquido epiteliale nell’area interfacciale dell’alveolo si espande e si contrae durante la respirazione. Se , o , la pressione di Laplace diminuisce con raggio decrescente e aumenta con l’aumentare del raggio in modo da eliminare l’instabilità di Laplace, stabilizzando così il polmone⁹. Quindi, e come dipende dalla frequenza, dalla morfologia e dalla composizione del monostrato e dalla composizione del fluido alveolare può essere essenziale per la stabilità polmonare. Il CPM-CFM ha inoltre fornito le prime dimostrazioni degli effetti della curvatura interfacciale sull’adsorbimento dei tensioattivi²⁵, sulla morfologia monostrato²² e sul modulo dilatazionale⁹. Il piccolo volume (~ 1 mL) del serbatoio nel CPM consente la rapida introduzione, rimozione o scambio della fase liquida e riduce al minimo la quantità richiesta di costose proteine o tensioattivi¹⁰.

Il contrasto in un’immagine CPM-CFM è dovuto alla distribuzione di piccole frazioni di lipidi o proteine marcati fluorescentemente all’interfaccia^16,27. I monostrati bidimensionali di tensioattivi spesso presentano una separazione di fase laterale in funzione della tensione superficiale o della pressione superficiale, π è la differenza tra la tensione superficiale di un’interfaccia fluido-fluido pulita, γ₀, e un’interfaccia ricoperta di tensioattivo, γ. π può essere pensato come la “pressione” 2D causata dalle interazioni delle molecole di tensioattivo all’interfaccia che agisce per abbassare la tensione superficiale del fluido puro. A basse pressioni superficiali, i monostrati lipidici sono in uno stato disorganizzato simile a un liquido; questa è nota come fase espansa liquida (LE). Man mano che la pressione superficiale aumenta e l’area per molecola lipidica diminuisce, i lipidi si orientano tra loro e possono subire una transizione di fase di primo ordine alla fase^condensata liquida ordinata (LC) a lungo raggio ^16,20,27. Le fasi LE e LC possono coesistere a varie pressioni superficiali e possono essere visualizzate come lipidi marcati fluorescentemente sono esclusi dalla fase LC e si segregano nella fase LE. Pertanto, la fase LE è luminosa e la fase LC è scura quando viene visualizzata con CFM¹⁶.

L’obiettivo di questo manoscritto è quello di descrivere i passaggi necessari per costruire e far funzionare il microscopio confocale combinato microtensiometro. Ciò consentirà al lettore di eseguire studi di adsorbimento, misurare la tensione superficiale, il comportamento reologico ed esaminare simultaneamente la morfologia interfacciale su scala micron aria/acqua o olio/acqua. Ciò include una discussione su come tirare, tagliare e idrofobizzare i capillari richiesti, istruzioni per l’utilizzo delle modalità di controllo della pressione, della curvatura e della superficie e trasferimento interfacciale del tensioattivo insolubile all’interfaccia curva del microtensiometro.