[논문 리뷰] Active double emulsions

Babak Vajdi Hokmabad, Kyle A. Baldwin외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Micro and Nano Robotics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 난류탄성력과 용해도 기반 운동을 활용하여 제어 가능하고 안정적인 마이크로캡슐을 위한 새로운 플랫폼으로 활성 난류 이중유화를 제안한다. 이 시스템은 자발적 대칭성 붕괴와 궤적 회피를 통해 고유한 상어지느러미 형태의 휘저어짐 운동을 나타내며, 화학적 자극과 쉘 구조를 통해 제어 가능하다. 이는 합성생물학 및 마이크로반응기용 동적인 가변성 마이크로컨테이너를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The capability to produce controllable, active microcapsules would present a leap forward in the development of artificial cells, microreactors, and microsensors. One example of inactive microcapsules are double emulsions, or droplets-in-droplets, which have been applied as, e.g., reactive microcontainers, food and drug capsules, cosmetics, optical devices, biotic sensors, and synthetic cell membranes. Despite the wide utility of double emulsions as a platform for synthetic biology and microchemistry, a significant challenge remains in combining activity, stability, and control. Building on the established system of active single emulsions, we propose a new approach to the problem of encapsulation by using active nematic double emulsions, where a solubilization mechanism induces motility and the nematic structure provides stability: we have shown that the nematoelastic force is comparable to hydrodynamic contributions. We observe a peculiar shark-fin meandering motion in quasi-2D driven by spontaneous symmetry breaking and trail-avoidance, which can be controlled or switched via chemical and interfacial guidance and the shell topology.

연구 동기 및 목표

• 합성생물학 및 마이크로화학 분야에서 활성화, 안정성, 제어성을 동시에 확보하는 마이크로캡슐의 도전 과제를 해결하기 위해.
• 수동 시스템의 한계를 극복하기 위해 활성 운동성과 구조적 안정성을 통합한 새로운 유형의 활성 이중유화를 개발하기 위해.
• 난류탄성력과 계면 동역학이 2차원에 가까운 방울 시스템에서 제어 가능한 자가 추진 운동을 어떻게 가능하게 하는지 탐구하기 위해.
• 화학 기울기와 쉘 구조를 통해 외부에서 운동 방향을 제어하고 스위칭할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 수용성 메커니즘을 활용하여 이중유화에 활성 운동성을 유도함으로써 활성 단일유화를 모방함.
• 내부 방울 내에 난류 액정 구조를 설계하여 유체역학력과 비슷한 크기의 난류탄성력을 생성함.
• 쉘 구조를 설계하여 방울의 운동 동역학에 영향을 주고 궤적 회피 행동을 가능하게 함.
• 화학 기울기를 적용하여 운동 방향을 유도하고 스위칭함으로써 외부 제어를 가능하게 함.
• 자발적 대칭성 붕괴의 상징으로서의 상어지느러미 형태의 휘저어짐 운동을 관찰하고 특성화함.
• 2차원에 가까운 구성에서 계면력, 난류 탄성 및 유체역학적 효과 간의 상호작용 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 이중유화 내 난류탄성력이 활성 마이크로캡슐의 안정성과 운동성에 충분한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 자발적 대칭성 붕괴는 활성 이중유화에서 어떤 방식으로 상어지느러미 형태의 휘저어짐 운동을 유도하는가?
• RQ3 화학 기울기와 쉘 구조는 운동 방향을 얼마나 잘 제어하고 스위칭할 수 있는가?
• RQ4 활성 이중유화의 운동을 주도하는 데 있어 난류탄성력과 유체역학력 간의 기여 비율은 어느 정도인가?

주요 결과

• 활성 난류 이중유화 내 난류탄성력의 크기가 유체역학적 기여와 유사한 수준임을 확인하여, 운동성에 있어 중요한 역할을 한다고 판단됨.
• 2차원에 가까운 구성에서 자발적 대칭성 붕괴와 궤적 회피 메커니즘이 상어지느러미 형태의 휘저어짐 운동을 유도함.
• 화학 기울기와 쉘 구조를 통해 외부 제어 및 운동 방향 스위칭이 가능하여 프로그래밍 가능성을 입증함.
• 난류 구조 덕분에 안정성이 향상되어 수동 이중유화의 핵심 한계를 극복함.
• 계면 동역학과 활성력이 외부 필드 없이도 지속적인 자가 추진 운동을 가능하게 함.
• 통제된 조건에서 관측된 운동 패tern이 뚜렷하고 재현 가능하여 합성세포 및 마이크로반응기 응용 가능성을 뒷받침함.