Powierzchnie międzyfazowe powietrze-woda pokryte warstwami surfaktantów występują powszechnie w życiu codziennym. Iniekcje surfaktantowo-wodne są stosowane w celu zwiększenia odzysku ropy z wyeksploatowanych złóż oraz jako roztwory do szczelinowania hydraulicznego gazu i ropy z łupków. Piany gaz-ciecz oraz emulsje ciecz-ciecz są powszechne w wielu procesach przemysłowych i naukowych jako smary i środki czyszczące, a także występują często w żywności. Surfaktanty i białka na powierzchniach międzyfazowych stabilizują konformacje przeciwciał podczas pakowania, przechowywania i podawania1,2,3,4,5, stabilność filmu łzowego w oku6,7,8 oraz mechanikę płucną9,10,11,12,13,14,15.
Badanie substancji powierzchniowo czynnych (surfaktantów) adsorbujących się na granicach faz oraz ich właściwości ma długą historię, w której wykorzystano wiele różnych technik eksperymentalnych16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27. Niedawnym osiągnięciem jest mikrotensjometr ciśnienia kapilarnego (CPM), który umożliwia badanie właściwości międzyfazowych na silnie zakrzywionych granicach faz w znacznie mniejszej skali długości, przy jednoczesnym wykorzystaniu znacznie mniejszej ilości materiałów niż w innych popularnych metodach9,23,24,25. Konfokalna mikroskopia fluorescencyjna (CFM) może być stosowana do badania morfologii lipidów i białek na granicach powietrze-woda w CPM22 lub na korytach Langmuira20,26,27,28,29. W niniejszej pracy połączono CPM i CFM, aby powiązać zjawiska morfologiczne z dynamicznymi i równowagowymi właściwościami międzyfazowymi w celu opracowania relacji struktura-funkcja dla granic faz biologicznych i technologicznych.
W systemach powierzchniowych surfaktantów istnieje wiele istotnych parametrów, które można badać za pomocą CPM-CFM. W metodzie CPM pęcherzyk powietrza o średnicy 30-200 µm jest unieruchomiony na końcówce szklanej kapilary. Wcześniejsze wersje CPM kontrolowały różnicę ciśnienia kapilarnego między wnętrzem a zewnętrzną stroną pęcherzyka poprzez kolumnę wodną i oscylacyjną pompę strzykawkową9,30; nowa opisana tutaj wersja zastępuje je mikroprzepływową pompą sterowaną komputerowo o wyższej precyzji. Napięcie powierzchniowe (γ) wyznacza się za pomocą równania Laplace'a, ΔP = 2γ/R, na podstawie spadku ciśnienia na granicy faz ustalonego przez pompę, ΔP, oraz analizy optycznej promienia krzywizny pęcherzyka, R. Dynamiczne napięcie powierzchniowe granicy faz może być określane z rozdzielczością czasową 10 ms po wytworzeniu nowego pęcherzyka w kontakcie z cieczą zawierającą rozpuszczalny surfaktant. Dynamikę adsorpcji surfaktanta można opisać za pomocą klasycznego równania Warda-Tordaia10,31, aby wyznaczyć kluczowe właściwości surfaktanta, w tym dyfuzyjność, stopień pokrycia powierzchni oraz zależność między stężeniem w objętości a równowagowym napięciem powierzchniowym. Po osiągnięciu równowagowego napięcia powierzchniowego można oscylować powierzchnią międzyfazową, aby zmierzyć moduł dylatacyjny,
, rejestrując zmiany napięcia powierzchniowego wywołane niewielkimi zmianami powierzchni pęcherzyka, A32. W przypadku bardziej złożonych granic faz, które tworzą własne struktury wewnętrzne, takie jak sploty polimerów lub białek, napięcie powierzchniowe zostaje zastąpione bardziej ogólnym naprężeniem powierzchniowym4,33,
.
Stabilność płuc podczas oddychania może być bezpośrednio powiązana z utrzymaniem zarówno niskiego napięcia powierzchniowego, jak i wysokiego modułu dylatacyjnego na granicy faz powietrze-ciecz w pęcherzykach płucnych9,10. Wszystkie wewnętrzne powierzchnie płuc są wyścielone ciągłą, mikronową warstwą płynu wyściełającego nabłonek w celu utrzymania nawodnienia tkanek34. Płyn wyściełający nabłonek składa się głównie z wody, soli oraz różnych innych białek, enzymów, cukrów i surfaktantu płucnego. Podobnie jak w przypadku każdej zakrzywionej granicy faz ciecz-para, indukowane jest ciśnienie kapilarne, przy czym ciśnienie wewnątrz pęcherzyka (lub pęcherzyka powietrznego) jest wyższe. Jednak gdyby napięcie powierzchniowe było stałe w całym obszarze płuc, równanie Laplace'a, ΔP = 2γ/R, wskazywałoby, że mniejsze pęcherzyki miałyby wyższe ciśnienie wewnętrzne w stosunku do większych pęcherzyków, co wymuszałoby przepływ zawartości gazowej z mniejszych pęcherzyków do większych, o niższym ciśnieniu. Zjawisko to jest znane jako „niestabilność Laplace'a”9,35. W rezultacie najmniejsze pęcherzyki zapadałyby się, wypełniając się cieczą, co utrudniałoby ich ponowne nadmuchanie i prowadziło do zapadnięcia się części płuca, podczas gdy inne części ulegałyby nadmuchaniu – oba te stany są typowymi objawami zespołu ostrej niewydolności oddechowej (ARDS). Jednak w prawidłowo funkcjonującym płucu napięcie powierzchniowe zmienia się dynamicznie, gdy powierzchnia międzyfazowa powietrze-płyn nabłonkowy w pęcherzyku rozszerza się i kurczy podczas oddychania. Jeśli
lub
, ciśnienie Laplace'a maleje wraz ze zmniejszaniem się promienia i rośnie wraz ze zwiększaniem się promienia, co eliminuje niestabilność Laplace'a, stabilizując tym samym płuco9. Zatem
oraz jego zależność od częstotliwości, morfologii i składu monowarstwy oraz składu płynu pęcherzykowego mogą mieć kluczowe znaczenie dla stabilności płuc. System CPM-CFM dostarczył również pierwszych dowodów na wpływ krzywizny międzyfazowej na adsorpcję surfaktantu25, morfologię monowarstwy22 oraz moduł dylatacyjny9. Mała objętość (~1 mL) zbiornika w CPM pozwala na szybkie wprowadzenie, usunięcie lub wymianę fazy ciekłej i minimalizuje wymaganą ilość drogich białek lub surfaktantów10.
Kontrast w obrazie CPM-CFM wynika z rozkładu niewielkich frakcji lipidów lub białek znakowanych fluorescencyjnie na granicy faz16,27. Dwuwymiarowe monowarstwy surfaktantów często wykazują lateralną separację faz w zależności od napięcia powierzchniowego lub ciśnienia powierzchniowego,
π jest różnicą między napięciem powierzchniowym czystej granicy faz ciecz-ciecz, γ0, a granicą faz pokrytą surfaktantem, γ. π można interpretować jako dwuwymiarowe „ciśnienie” wywołane oddziaływaniami cząsteczek surfaktantu na granicy faz, które działa w kierunku obniżenia napięcia powierzchniowego czystego płynu. Przy niskich ciśnieniach powierzchniowych monowarstwy lipidowe znajdują się w zdezorganizowanym stanie przypominającym ciecz; jest to znana jako faza ciekła rozszerzona (LE). W miarę wzrostu ciśnienia powierzchniowego i zmniejszania się powierzchni przypadającej na jedną cząsteczkę lipidu, lipidy orientują się względem siebie i mogą przejść przejście fazowe pierwszego rodzaju do uporządkowanej dalekozasięgowo fazy ciekłej skondensowanej (LC)16,20,27. Fazy LE i LC mogą współistnieć przy różnych ciśnieniach powierzchniowych i mogą być wizualizowane, ponieważ lipidy znakowane fluorescencyjnie są wypierane z fazy LC i segregują się do fazy LE. W rezultacie faza LE jest jasna, a faza LC jest ciemna podczas obrazowania za pomocą CFM16.
Celem niniejszej pracy jest opisanie kroków niezbędnych do budowy i obsługi połączonego mikrotensiometru z mikroskopem konfokalnym. Pozwoli to czytelnikowi na jednoczesne przeprowadzanie badań adsorpcji, pomiar napięcia powierzchniowego, badanie właściwości reologicznych oraz analizę morfologii międzyfazowej na mikronowej granicy rozdziału powietrze/woda lub olej/woda. Obejmuje to omówienie sposobu wyciągania, cięcia i hydrofobizacji wymaganych kapilar, instrukcje korzystania z trybów kontroli ciśnienia, krzywizny i powierzchni oraz transfer międzyfazowy nierozpuszczalnego surfaktantu na zakrzywiony interfejs mikrotensiometru.