Forme dinamiche di goccioline di ciclodestrina

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5252 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo una serie di esperimenti con goccioline di soluzioni acquose di ciclodestrina-tensioattivo, in cui il volume viene ridotto dopo aver raggiunto la forma sferica di equilibrio. Si è scoperto che la forma finale della goccia dopo questa perturbazione dipende dalla concentrazione dei complessi di inclusione nella maggior parte della soluzione. Questi complessi di inclusione sono formati da due molecole di ciclodestrina e una molecola di tensioattivo. Proponiamo un modello per descrivere questi processi dinamici. Le interazioni dipolo-dipolo sulla superficie della goccia innescano una competizione tra la tensione superficiale dell'acqua e le energie di interazione dipolo-dipolo. I risultati del modello riproducono le forme sferiche e bastoncellari trovate negli esperimenti.

La forma delle vescicole gioca un ruolo fondamentale in molti processi, tra cui rivestimenti, cosmetici, somministrazione di farmaci, terapie e altri, in cui la scala varia da nanometri a micrometri. Un esempio importante di ciò è che l’efficienza dell’assunzione cellulare della somministrazione del farmaco dipende dalla forma della capsula che trasporta il farmaco1. L'incapsulamento dei farmaci nei liposomi si è rivelato molto promettente nel trattamento del cancro2. Vescicole e anelli anulari di complessi tensioattivo-ciclodestrina sono stati trovati a un regime di concentrazione elevata, ben al di sopra della concentrazione micellare critica del tensioattivo3,4. Inoltre, producendo emulsioni con due liquidi immiscibili si possono ottenere veicoli vettore di opportune dimensioni5. Solitamente le goccioline vengono stabilizzate con un tensioattivo a bassa concentrazione, ottenendo carrier sferici con bassa efficienza di incapsulamento2. D'altra parte, è stato dimostrato che altre forme, come le aste, sono più comode da utilizzare in determinati casi1. Le idrofobine hanno attirato grande attenzione a causa del loro ruolo nella crescita dei funghi6,7, per lo più legato alle proprietà chimiche della superficie. Presentano inoltre un'elevata attività di adesione alle superfici. Resta una sfida comprendere il ruolo della loro forma a bastoncino nel modificare l'affinità superficiale con superfici con proprietà superidrofobiche8, la loro viscoelasticità e altre proprietà multifunzionali9 per l'ingegneria dell'interfaccia, come la solubilità dei farmaci idrofobici e il biosensore di rilascio10. Qui abbiamo trovato il modo di produrre gocce pendenti in forme non sferiche (il raggio delle gocce è 1,68 mm, circa la metà della lunghezza capillare dell'acqua). sfruttando le interessanti proprietà fisiche di gocce di soluzioni acquose di ciclodestrina-tensioattivo.

Nel Rif.11 abbiamo studiato il comportamento reologico di una soluzione di ciclodestrina-tensioattivo in acqua in regime di bassa concentrazione utilizzando la tecnica delle gocce sospese in funzione della concentrazione. È stato dimostrato che il sorprendente aumento della risposta viscoelastica di questo sistema e la variazione inaspettata della tensione superficiale al variare della composizione sono dovuti alle interazioni dipolo-dipolo dei complessi molecolari polari che si ordinano sulla superficie della gocciolina.

La tensione superficiale e la reologia dilatativa del materiale adsorbito all'interfaccia liquido/aria per la miscela \({\text {C}}_{14}{\text {SO}}_4^-\) (S) + \( \alpha\)-ciclodestrina (\(\alpha\)-CD) + acqua con \(R = [S]/[\alpha\)-CD] a 283,15K sono stati misurati con la tecnica della caduta sospesa utilizzando un profilo di caduta dell'immagine tensiometro. L'apparato sperimentale e la metodologia utilizzata sono descritti in dettaglio nel Rif.12. Nell'esperimento si misura la tensione superficiale e la reologia dilatativa del materiale adsorbito all'interfaccia liquido/aria all'equilibrio, quindi la goccia viene aspirata fino a una frazione del suo volume formando un collo sottile, che dipende dalla concentrazione, e si attende finché la goccia non acquisisce la sua forma di equilibrio finale.

Istantanee di video (vedi SM) degli esperimenti utilizzando la miscela x mM \({\text {C}}_{14}{\text {SO}}_4^-\) (S) + 10 mM \(\alpha \)-ciclodestrina (\(\alpha\)-CD) + acqua, con \(R = [S]/[\alpha\)-CD] \(= x/10\) a 283,15 K. Le istantanee mostrano il evoluzione della forma della goccia per diversi rapporti. (a) \(R=0,20\), (b) \(R=0,34\) e (c) \(R=0,41\). L'evoluzione dinamica di queste forme è modellata in questo lavoro.