軟膠體薄膜乾燥的影響因素：軟硬度和基底潤濕性

核心概念

軟膠體薄膜的乾燥會顯著影響其微結構，而微結構的變化取決於膠體的軟硬度和基底的潤濕性。

摘要

軟膠體薄膜乾燥研究

本研究探討了軟膠體薄膜在不同基底上的乾燥過程，並分析了膠體軟硬度和基底潤濕性對乾燥後微結構的影響。研究人員利用核-殼微凝膠作為模型系統，通過調整交聯劑濃度來控制微凝膠的軟硬度，並使用親水性和疏水性基底進行實驗。

實驗方法

研究人員使用朗繆爾-布洛傑槽將微凝膠吸附在空氣/水界面，並將其轉移到不同潤濕性的基底上。通過視頻顯微鏡、粒子追踪和薄膜干涉技術，觀察乾燥過程中微凝膠的運動和薄膜高度變化。

結果與討論

實驗結果表明，較軟的微凝膠在乾燥過程中更容易保持其原始的組裝結構，這是因為它們在界面處的變形更為明顯，導致較低的毛細作用力。此外，疏水性基底由於與微凝膠之間的黏附力較強，因此在乾燥過程中微凝膠的移動性較低，更有利於保持微凝膠的排列。

模擬驗證

分子動力學模擬結果支持了實驗觀察結果，模擬顯示了孔洞形成和不同程度的變形，這些變形導致了微凝膠在不同潤濕性基底上蒸發溶劑後的乾燥動力學差異。

結論

軟膠體薄膜的乾燥是一個複雜的過程，受多種因素影響，包括微凝膠與基底的黏附力、浸沒毛細作用力和界面形成的自由能。研究結果表明，在解釋軟膠體在界面處的“二維”組裝時，必須考慮經常被忽視的三維方面：微凝膠如何在界面處最初進行三維變形、在壓縮下進一步變形，以及在乾燥過程中繼續變形。

統計資料

CS-low 微凝膠的交聯劑濃度為 1.0 mol.%。
CS-medium 微凝膠的交聯劑濃度為 2.5 mol.%。
CS-high 微凝膠的交聯劑濃度為 7.5 mol.%。
所有微凝膠的核尺寸 Dc 約為 437 nm。
所有微凝膠的水力學直徑 Dh 約為 1 μm。
研究人員使用了三種不同的表面壓力：低（約 10 mN/m）、中（約 20 mN/m）和高（約 30 mN/m）。

引述

"Therefore, if the goal is to produce dried replicas of the interfacial microstructure, soft microgels, and hydrophobic (or oppositely charged) substrates are to be used rather than harder microgels and hydrophilic substrates under fast drying conditions."
"Our results indicate that the drying of a microgel film involves an intricate interplay among various factors, such as microgel-to-substrate adhesion, microgel compression degree, immersion capillary forces, and others e.g., free energy associated with interface formation, Marangoni flow, drying conditions."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Drying of Soft Colloidal Films

by Keum... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.08821.pdf

深入探究

這項研究的結果如何應用於生物醫學領域，例如組織工程或藥物輸送？

這項研究的結果對於理解軟膠體薄膜的乾燥行為具有重要的生物醫學應用價值，特別是在組織工程和藥物輸送方面：
組織工程：

細胞支架設計： 組織工程的一個關鍵挑戰是創造出模仿天然細胞外基質（ECM）的3D支架。本研究中使用的微凝膠可以用作構建具有可控孔隙率和力學性能的支架的組成部分。通過調整微凝膠的柔軟度和基材的親疏水性，可以精確控制支架的結構和表面特性，從而影響細胞粘附、增殖和分化。
細胞包封和輸送： 微凝膠可以用於包封和輸送細胞，為細胞提供保護屏障，並允許在體內進行受控釋放。了解微凝膠在乾燥過程中的行為對於開發基於微凝膠的細胞輸送系統至關重要，因為它可以確保細胞在包封、儲存和輸送過程中保持活力和功能。
藥物輸送：

藥物載體： 微凝膠可以作為藥物的載體，提供受控釋放和靶向輸送。通過改變微凝膠的組成、交聯密度和表面改性，可以調整藥物釋放曲線和靶向特定細胞或組織。本研究中描述的乾燥過程可以用於將載藥微凝膠加工成薄膜或塗層，用於局部或植入式藥物輸送。
粘膜粘附： 對於需要藥物在粘膜表面（如口腔、胃腸道或陰道）停留較長時間的應用，了解微凝膠與這些表面的相互作用至關重要。本研究中獲得的關於微凝膠-基材粘附的見解可以指導設計具有增強粘膜粘附性的藥物輸送系統。

如果使用不同形狀的微凝膠（例如橢球形或棒狀），乾燥過程和最終的微結構會如何變化？

使用不同形狀的微凝膠（例如橢球形或棒狀）預計會顯著影響乾燥過程和最終的微結構，原因如下：

形狀各向異性與排列： 與球形微凝膠相比，非球形微凝膠在界面處會表現出更強的形狀各向異性，導致更複雜的排列和堆積行為。例如，橢球形微凝膠可能會在界面處優先沿其長軸取向，從而產生有序結構，如向列相或層狀相。棒狀微凝膠甚至可以形成液晶相。
毛細作用力的改變： 微凝膠的形狀會影響其周圍液體彎月面的形狀，進而影響毛細作用力。非球形微凝膠之間的毛細作用力可能具有方向性，導致在乾燥過程中產生更複雜的運動和聚集行為。
變形行為的差異： 與球形微凝膠相比，非球形微凝膠在受到壓縮或限制時會表現出不同的變形行為。例如，橢球形微凝膠在垂直於其長軸的方向上可能更容易變形，而棒狀微凝膠可能會發生彎曲或屈曲。
總之，使用非球形微凝膠會導致更豐富、更複雜的乾燥行為和微結構形成。通過系統地研究形狀、柔軟度、表面化學和乾燥條件之間的相互作用，可以精確控制基於微凝膠的材料的組裝和性能。

軟物質在自然界中普遍存在，例如細胞膜和生物聚合物。這項研究的發現如何幫助我們更好地理解自然界中軟物質的行為？

這項研究的發現為理解自然界中軟物質的行為提供了寶貴的見解，特別是在以下方面：

細胞粘附和組織形成： 細胞膜和細胞外基質主要由脂質、蛋白質和多醣等軟物質組成。這些組分的相互作用和自組裝對於細胞粘附、組織形成和器官發育至關重要。本研究中描述的關於微凝膠-基材粘附、毛細作用力和乾燥動力學的發現可以幫助我們更好地理解細胞如何在體內組織成複雜的結構。
生物膜的形成和功能： 生物膜是由細菌和其他微生物形成的表面附著群落，它們被包裹在一個由細胞外聚合物（EPS）組成的基質中，EPS是一種複雜的軟物質混合物。了解EPS的乾燥行為對於理解生物膜的形成、穩定性和抗菌素耐藥性至關重要。
生物聚合物的自組裝： 許多生物聚合物，如DNA、蛋白質和多醣，可以自組裝成具有特定結構和功能的複雜結構。本研究中使用的微凝膠可以作為模型系統來研究軟物質的自組裝，為控制生物聚合物組裝和設計具有新特性的生物材料提供見解。
總之，這項研究強調了理解軟物質在界面處的行為的重要性，並為控制其組裝和設計具有定制特性的材料提供了有價值的見解。這些發現對於生物醫學、材料科學和納米技術等各個領域都有廣泛的意義。