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昆士蘭大學喬瑞瑞、Thomas P. Davis、張承Angew:活性自由基聚合合成新型含氟表面活性劑-用于制備超高穩定性微液滴
2023-12-07  來源:高分子科技

  液滴微流體是生物分析中使用的強大工具,用于在微尺度通道中產生和操控從皮升到納升的小體積液滴。這種方法使化學和生物學領域的微小反應以及高能量與高分辨率的生化分析成為可能,包括小規模有機合成、單細胞測序、定向酶進化、高通量藥物篩選和數字聚合酶鏈反應(PCR)等應用。在大多數情況下,表面活性劑的使用對于防止液滴之間的聚結和穩定液滴的形成至關重要。然而,盡管有這些優點,由于缺乏合適的表面活性劑,制備具有最佳性能的乳化液滴仍然是一個重大挑戰。



  近日,昆士蘭大學喬瑞瑞團隊、 Thomas P. Davis教授團隊與張承團隊合作開發了一種創新高效的合成方法,利用活性自由基聚合 (LRP) 制備了新型含氟表面活性劑,用于制備超高穩定性微液滴。相關成果以標題 Tailored Fluorosurfactants through Controlled/Living Radical Polymerization for Highly Stable Microfluidic Droplet Generation” 發表在 Angewandte Chemie。這種創新性合成方法與傳統化學合成方法相比能夠實現快速、低成本、以及精確定制的功能性表面活性劑的大批量制備,對于液滴微流體領域具有劃時代的意義。通過優化親水性頭基團,該氟表面活性劑表現出卓越的性能,在各種生物環境甚至高溫條件下提供超高的液滴穩定性。 首先,該研究團隊使用可逆加成斷裂鏈轉移(RAFT)聚合合成了一系列基于 PFPE 新型含氟表面活性劑。使用三種不同的親水單體,即低聚乙二醇丙烯酸酯 (OEGA)、丙烯酸 2-羥乙酯 (2-HEA) 和丙烯酸 2-(甲基亞磺酰基)乙酯 (MSEA)。親水“頭”基團的數量(即聚合度 DP)是控制表面活性劑溶解度以及控制水包油液滴穩定性的關鍵參數。快速制備色譜分離技術允許快速生成涵蓋多種組合物的分級聚合物庫,因此可以將鏈分布不均勻的母體 PFPE 聚合物通過快速色譜分離成不同聚合度的分級分離聚合物,最后通過聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流體裝置生成(w/o)油包水液滴來評估含氟表面活性劑穩定油包水的性能 


1使用 RAFT 聚合合成含氟表面活性劑。a) 合成含2-HEAMSEAOEGA的含氟表面活性劑PFPE 聚合物。b) 將鏈分布不均勻的母體 PFPE 聚合物通過快速色譜分離成不同成分的不同組分 c)用于生成油包水液滴的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流體裝置的示意圖。d)使用<2-HEA>5-PFPE表面活性劑生成的油包水液滴。


  隨后,該工作進一步評估油包水液滴PCR前后的熱穩定性。P(2-HEA)4-PFPEP(OEGA)1-PFPE穩定的液滴在35PCR循環后顯示出最小的液滴融合相比其它分級分離聚合物 值得注意的是,兩種表面活性劑的性能均優于商用 Pico-Surf? 表面活性劑。 


 2. 液滴PCR前后的熱穩定性。a) PCR循環前后Pico-Surf?,P(2-HEA)4-PFPEP(MSEA)3-PFPEP(OEGA)1-PFPE液滴大小分布的顯微照片。b) PCR過程中液滴大小分布的箱形圖。


  隨后,使用水包油包水(w/o/w)雙乳液(DE)系統測試P(2-HEA)4-PFPE表面活性劑的GFP標記的酵母細胞培養,結果顯示單個液滴的熒光酵母細胞數量和熒光強度隨著時間的推移而增加,表明該表面活性劑具有良好的生物相容性。


 3雙乳液系統測試表面活性劑的生物相容性。a)P(2-HEA)4- PFPE穩定的w/o/w雙乳液的大小分布。bc)酵母菌在5個時間點的明場和熒光顯微圖。de)箱形圖顯示在30°C條件下孵育24 h時酵母細胞的熒光強度和數量。


  最終,這種基于LRP的創新性的合成平臺可實現可控性及定制化的氟化表面活性劑的制備,制備出的微液滴表現出卓越的生物穩定性及高溫穩定性,并具有良好的生物相容性,通過進一步的定制其功能性,有望滿足液滴微流控領域廣泛的應用需求。文章的第一作者是昆士蘭大學的博士研究生李向可


  文章鏈接:

  Tailored Fluorosurfactants through Controlled/Living Radical Polymerization for Highly Stable Microfluidic Droplet Generation”

  Xiangke Li, Shi-Yang Tang, Yang Zhang, Jiayuan Zhu, Helen Forgham, Chun-Xia Zhao, Cheng Zhang*, Thomas P. Davis*, Ruirui Qiao*

  Angewandte Chemie International Edition

  https://doi.org/10.1002/anie.202315552

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