09 марта 2016г.
Введение.
Мультифункциональные системы микронного и субмикронного размера приобретают широкое применение для создания Lab-on-a-chipустройств и микроаналитических систем. Один из подходов для конструирования таких устройств основан на создании упорядоченных структур наночастиц различной природы или активных молекул на твердой подложке [1 – 5]. Особый интерес вызывают упорядоченные слои и массивы капсулирующих контейнеров[6 –8], благодаря их возможности управляемого капсулирования и релиза вещества посредством внешних воздействий.
В данной статье описывается подход по созданию упорядоченных слоев электрочувствительных контейнеров, что имеет широкие перспективы применения в мультифункциональных микросистемах.
Одни из самых удобных объектов для создания контейнеров являются полиэлектролиты, с возможностью создания нано и микрокапсул [9], и организации их в упорядоченные слои [10, 11], импринт технология позволяет создавать упорядоченные массивы полиэлектролитных чемберов [6]. Другим распространѐнным объектом для капсулирования веществ на микро и нано уровнях являются биомиметические полые микросферы[12-14], имеющие ряд преимуществ за счет их общего с биологическими клетками строения.
Как полиэлектролиты, так и биологические мембраны (клетки, липосомы) имеют высокую чувствительность к рН среды [15, 16].Данную особенность используют для управления проницаемостью микрокапсул на их основе и контролируемого релиза вещества [17].
Воздействие электрического поля на композитные структуры.
Одним из способов индуцировать изменение рН является приложение электрических полей. При приложении потенциала электрохимическая реакция на электроде вызывает выделение протонов в микрометровом диапазоне расстояний от электрода, что смещает рН в кислотную область. При понижении рН полярные части молекул протонируются, что нарушает электростатическое равновесие в структуре и вызывает ее растворение[18, 19]. Такая электрохимическая деградация исследована как для полиэлектролитных слоев [18], так и для рН-чувствительных липосом [20]. Эта особенность липидных мембран и полиэлектролитных покрытий позволила создать алгоритмы для паттеринга клеточных листов [21, 22] основанные на различии в напряжениях растворения различных полиэлектролитных покрытий и клеток, для создания трехмерных клеточных структур заданного состава и формы [23] а так же для создания многофункциональных микросистем для управления пролиферацией клеточных структур [24]. Показана возможность управлением геометрическими и механическими характеристиками полиэлектролитных слоев с помощью электрохимически стимулируемого движения мультивалентных ионов внутри слоя и в приповерхностной области буфера [25].
Показана возможность воздействия электрическим полем на полые микрочастицы для индуцирования ротации отдельных полиэлектролитных микрокапсул, эритроцитов крови, а так же композитных липид- полимерных микрочастиц [26 –28].
Целесообразным направлением деятельности является изучение способов сенсибилизации таких структур к действию электрического поля и исследование дифференциации их по чувствительности.
Одним из распространенных методов сенсибилизации является встраивание в оболочку структур нанообъектов, чувствительных к тому или иному типу воздействия[29 - 32].
Исследованы полиэлектролитные микрокапсулы, в которые для придания им чувствительности к электрическому полю были встроены жидкие кристаллы и углеродные нанотрубки [33], под действием внешнего электрического поля эти объекты упорядочивались, что приводило к повышению проницаемости оболочки.
В нашем случае представляется перспективным использовать металлические наночастицы, за счет их высокой диэлектрической проницаемости. Главным аспектом при приложении электрического поля к таким частицам является их поляризация. Как было показано [34], взаимодействие индуцированных дипольных моментов может значительно превышать другие взаимодействия и послужить причиной расталкивания металлических наночастиц встроенных в оболочку микроконтейнера. Так же наличие частиц в оболочке может существенным образом модифицировать распределение силовых линий поля и служить дополнительным источником протонов – и как следствие являться источником локального изменения рН.
Технические возможности электростимулируемого разрушения оболочек.
Базой для систем на основе электрочувствительных контейнеров могут служить микрофлюидные чипы с системой внутренних электродов.
Группой японских ученых под руководством Tomokazu Matsue разрабатываются чипы с системами встречноштыревых электродов различной конструкции для применения в аналитических и сенсорных системах[35 - 39]. В данных работах продемонстрирована возможность управления посредством внешнего электрического поля металлическими наночастицами [35], а так же липидными микрочастицами [36], что открывает перспективы их применения для создания Lab-on-a-chip устройств на основе электроуправляемых микроконтейнеров различной природы, диференцированных по диэлектрическим свойствам их оболочек. Чип для электроротации микрочастиц, позволяющий с высокой точностью определять диэлектрические характеристики микрочастиц, в том числе микрокапсул и клеток [37]. Впервые создан подход к паттерингу периодичных структур различных типов живых клеток без дополнительной предобработки [38] и микрочастиц [39] на основе отрицательного диэлектрофореза в двумерных слоях водных растворов. Применяя чипы с подобной конструкцией к коллоиду золотых наночастиц и наностержней в порах алюминиевой мембраны удалось достичь эффекта вертикального упорядочения массивов золотых наночастиц и наностержней, вызванного положительным диэлектрофорезом [35].
Заключение.
Таким образом, представляется перспективным развитие упорядоченных систем микроконтейнеров, чувствительных к электрическому полю. Обзор литературы свидетельствует, что исследование композитных структур на основе полиэлектролитов или липидов и металлических наночастиц может привести к созданию упорядоченных систем электрочувствительных микроконтейнеров с возможностью применения в аналитических микроустройствах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №14-12-00275 и Саратовского Государственного университета.
Список литературы
1. J. Ferguson High-Density Fiber-Optic DNA Random Microsphere Array / Ferguson J., Steemers F.J., Walt D. R. // Anal. Chem. – 2000. – V. 72. – P. 5618
2. J. R. E. Shepard Array-Based Binary Analysis for Bacterial Typing/ Shepard J. R. E., Danin-Poleg Y., Kashi Y., Walt D. R.// Anal. Chem. – 2005. – V. 77. – P. 319
3. R. T. Hill Enzyme−Nanoparticle Functionalization of Three-Dimensional Protein Scaffolds/ Hill R. T., Shear J. B. //Anal. Chem. – 2006. – V. 78. – P. 7022
4. F. Hua Patterning of Layer-by-layer Self-assembled Multiple Types of Nanoparticle Thin Films by Lithographic Technique / Hua F., Shi J., Lvov Y., Cui T. // Nano Lett. . – 2002. – V. 2. – P. 1219
5. H. Zheng Two Component Particle Arrays on Patterned Polyelectrolyte Multilayer Templates / Zheng H., Lee I., Rubner M., Hammond P. // Adv. Mater. – 2002. – V. 14. – P. 569-572
6. M.V. Kiryukhin Fabrication and mechanical properties of microchambers made of polyelectrolyte multilayers / Kiryukhin M.V., Man S.M., Gorelik S.R., Subramanian G.S., Low H.Y., Sukhorukov G.B. // Soft Matter. – 2011.– V. 7. – P. 6550
7. M.V. Kiryukhin Adhesion of Polyelectrolyte Multilayers: Sealing and Transfer of Microchamber Arrays / Kiryukhin M.V., Man S.M., Tonoyan A., Low H.Y., Sukhorukov G.B.// Langmuir. – 2012. – V. 28. – pp. 5678−5686
8. M.V. Kiryukhin Individually Addressable Patterned Multilayer Microchambers for Site-Specific Release-On- Demand / Kiryukhin M.V., Gorelik S.R., Man S.M., Subramanian G.S., Antipina M.N.,Low H.Y., Sukhorukov G.B. // Macromol. Rapid Commun. – 2013. – V. 34. – pp. 87−93
9. E. Donath Novel hollow polymer shells by colloid-templated assembly of poly-electrolytes/ Donath E., Sukhorukov G. B., Caruso F., Davis S. A., Möhwald H. //Angew. Chem. Int. Ed. – 1998 Ed. – V. 37. – pp. 2202– 2205
10. J. Maheshkumar Langmuir and Langmuir–Blodgett films of capsules of haemoglobin at air/water and solid/air interfaces / Maheshkumar J., Dhathathreyan A. // J. Chem. Sci. – V. 125. – No. 2. – pp. 219–227
11. M.N. Antipina Patterned microcontainers as novel functional elements for mTAS and LOC / Antipina M.N., Kiryukhin M.V., Chong K., Low H.Y. Sukhorukov G.B. // Lab Chip. – 2009. – V. 9. – pp. 1472–1475
12. Z. H.An Self-Assembly of Biomimetic Membrane Capsules for Controlled Drug Release / AnZ. H., LuG., MöhwaldH., LiJ. B. // Chem. Eur. J. – 2004. – V. 10. – P. 5848
13. Z. H. An Stability and Permeability of Lipid/Protein Biomaterial Microcapsules / An Z. H., Lu G., Möhwald H., LiJ. B. //Biomacromolecules. – 2006. – V. 7. – P. 580
14. H.Y. Shim Micropatterning of diacetylenic liposomes on glass surfaces Materials / Shim H.Y., Lee S.H., Ahn D.J., Ahn K.D., Kim J.M. // Science and Engineering. –2004. – V. 24. – pp. 157–161
15. S. S. Shiratori pH-Dependent Thickness Behavior of Sequentially Adsorbed Layers of Weak Polyelectrolytes / Shiratori S. S., Rubner M. F. // Macromolecules. – 2000. – V. 33. – pp. 4213–4219
16. G. LuForming process of folded drop surface covered by human serum albumin, β-lactoglobulin and β-casein, respectively, at the chloroform/water interface/ Lu G., Chen H., Li J.// Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. – 2003. – V. 215. – pp. 25-32
17. N.I. Larionova Microcapsules responsive to physiological pH fabricated by layer-by-layer adsorption of polyelectrolytes on protein aggregates / Larionova N.I., Volodkin D.V., Balabushevitch N.G., Sukhorukov G.B., Möhwald H. // Sci. Pharm. – 2001. – V. 69. – No 3. – pp.175-176
18. O. Guillaume-Gentil Global and local view on the electrochemically induced degradation of polyelectrolyte multilayers: from dissolution to delamination / Guillaume-Gentil O., Graf N., Boulmedais F., Schaaf P., VörösJ., Zambelli T. //Soft Matter. – 2010. – V. 6. – pp. 4246–4254
19. O. Guillaume-Gentil Chemically Tunable Electrochemical Dissolution of Noncontinuous Polyelectrolyte Assemblies: An In Situ Study Using ecAFM / Guillaume-Gentil O., Abbruzzese D., Thomasson E., VörösJ., Zambelli T. // App. Mater. And Interf. – 2010. – V. 2. – No. 12. – pp. 3525–3531
20. N. Graf Electrochemically Stimulated Release from Liposomes Embedded in a Polyelectrolyte Multilayer / Graf N., Albertini F., Petit T., Reimhult E., Vörös J., Zambelli T. // Adv. Funct. Mater. – 2011. – V. 21. – pp. 1666– 1672
21. R. Zahn Ion-induced cell sheet detachment from standard cell culture surfaces coated with polyelectrolytes / R. Zahn, E. Thomasson, O. Guillaume-Gentil, J. Vörös, T. Zambelli// Biomaterials. – 2012. – V. 33. – pp. 3421-3427
22. O. Guillaume-Gentil Electrochemically switchable platform for the micro-patterning and release of heterotypic cell sheets / Guillaume-Gentil O., Gabi M., Zenobi-Wong M., Vörös J.// Biomed Microdevices. – 2011. – V.13. – pp. 221–230
23. O. Guillame-Gentil Engineering the Extracellular Environment: Strategies for Building 2D and 3D Cellular Structures / Guillame-Gentil O., Semenov O., Roca A. S., Groth T., Zahn R., Vörös J., Zenobi-Wong M. // Adv. Mater. – 2010. – V. 22. – pp. 5443–5462
24. M. Gabi Electrically controlling cell adhesion, growth and migration / Gabi M., Larmagnac A., Schulte P., Vörös
J. // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2010. – V. 79. – pp. 365–371
25. D.Grieshaber Swelling and Contraction of Ferrocyanide-Containing Polyelectrolyte Multilayers upon Application of an Electric Potential / Grieshaber D., Voros J., Zambelli T., Ball V., Schaaf P., Voegel J.C., Boulmedais F. // Langmuir. – 2008. – V. 24. – pp. 13668-13676
26. R. Georgieva Conductance and Capacitance of Polyelectrolyte and Lipid-Polyelectrolyte Composite Capsules As Measured by Electrorotation/ Georgieva R., Moya S., Leporatti S., Neu B., Baumler H., Reichle C., Donath E., Mohwald H. // Langmuir. – 2000. – V. 16. – pp. 7075-7081
27. R. Georgieva Low Frequency Electrorotation of Fixed Red Blood Cells / Georgieva R., Neu B., Shilov V. M., Knippel E., Budde A., Latza R., Donath E., Kiesewetter H., Baumler H. // Biophys.J. – 1998. – V. 74. – pp. 2114– 2120
28. J. P. Huang Electrorotation of a pair of spherical particles / Huang J. P., Yu K. W., Gu G. Q.// Phys. Rev. E. – 2002. – V. 65. – P. 021401
29. S.-H. Hu Controlled Rupture of Magnetic Polyelectrolyte Microcapsules for Drug Delivery / Hu S.-H., Tsai C.-H., Liao C.-F., Liu D.-M., Chen S.-Y. // Langmuir. – 2008. – Vol. 24. – P.11811-11818
30. Т.В. Букреева Получение полиэлектролитных капсул с наночастицами серебра и золота в оболочке и дистанционное разрушение таких капсул воздействием лазерного излучения / Букреева Т.В., Парахонский Б.В., Скиртач А.Г., Суша А.С., Сухоруков Г.Б. // Кристаллография. – 2006. – Т. 51. – No 5. – С. 920-926
31. D.G. ShchukinUltrasonically Induced Opening of Polyelectrolyte Microcontainers /Shchukin D.G., Gorin D.A., Möhwald H. // Langmuir. – 2006. – V. 22. – P. 7400-7404
32. A.G. SkirtachLaser-Induced Release of Encapsulated Materials inside Living Cells /Skirtach A.G., Javier A.M., Kreft O., Köhler K., Alberola A.P., Möhwald H., Parak W.J, Sukhorukov G.B.// Angew. Chem. – 2006. – Vol. 118. – P. 4728-4733
33. J. Yun pH and electro-responsive release behavior of MWCNT/PVA/PAAc composite microcapsules / Yun J., Im J. S., Lee Y.-S// Colloids Surf. – 2010. – V. 368. – No. 1–3. – pp. 23–30
34. D. A. Walker Precision Assembly of Oppositely and Like-Charged Nanoobjects Mediated by Charge-Induced Dipole Interactions / Walker D.A., Wilmer C.E., Kowalczyk B., Bishop K.J., Grzybowski B.A.// Nano Lett. – 2010. – V.10. – pp. 2275–2280
35. H. J. Lee Simple and rapid preparation of vertically aligned gold nanoparticle arrays and fused nanorods in pores of alumina membrane based on positive dielectrophoresis/Yasukawa T., Suzuki M., Lee S. H., Yao T., Taki Y., Tanaka A., Kameyama M., Shiku H., Matsue T.// Sensors and Actuators B. – 2009. – V. 136. – pp. 320–325
36. M. SuzukiDielectrophoreticMicropatterning with Microparticle Monolayers Covalently Linked to Glass Surfaces / Suzuki M., Yasukawa T., Mase Y., Oyamatsu D., Shiku H., Matsue T. // Langmuir. – 2004. – V. 20. – pp. 11005- 11011
37. K. Ino Electrorotation chip consisting of three-dimensional interdigitated array Electrodes/ Ino K., Ishida A., Inoue K.Y., Suzuki M., Koide M., Yasukawa T., Shiku H., Matsue T. //Sensors and Actuators B. – 2011. – V.153. – pp. 468–473
38. M. SuzukiNegative dielectrophoretic patterning with different cell types / Suzuki M., Yasukawa T., Shiku H., Matsue T. // Biosensors and Bioelectronics. – 2008. – V. 24. – pp. 1043–1047
39. M. Suzuki, T. Yasukawa, Y.Mase, D.Oyamatsu, H.Shiku, T. Matsue DielectrophoreticMicropatterning with Microparticle Monolayers Covalently Linked to Glass Surfaces/ Suzuki M., Yasukawa T., Mase Y., Oyamatsu D., Shiku H., Matsue T. // Langmuir. – 2004. – V. 20. – pp. 11005-11011
