Новости химической науки > Капли масла находят кратчайший путь прохождения лабиринта

15.1.2010

Исследователи разработали способ заставить капли масла проходить запутанные лабиринты с таким же успехом, как с этим справляются лабораторные грызуны. Новое открытие в перспективе поможет разработать новые способы решения лабиринтоподобных задач – от слежения за перемещением раковых клеток в организме до обнаружения пути через транспортные заторы.

На левом рисунке показано, как капля движется к выходу из лабиринта (отмеченному штрих-пунктирным квадратиком) по кратчайшему пути. На правом рисунке показано, как капля «сбивается с пути» в двух местах, однако исправляет траекторию и, в конце концов, находит кратчайший путь к выходу. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja9076793)

Специалист по физической химии из Северо-западного университета (Эвастон, Иллинойс) Бартош Гржибовски (Bartosz Grzybowski) с коллегами изучал капли в попытке разработки новой терапии рака. Исследователи создали несколько способов доставки противораковых препаратов в организм пациентов, включая наночастицы и липосомы. Тем не менее, все методы доставки осложняются тем, что препаратам сложно перемещаться по лабиринту сосудов и тканей, чтобы найти и уничтожить «спрятавшиеся» клетки рака.

Чтобы изучить особенности перемещения клеток, в группе Гржибовски изготовили несколько кремниевых лабиринтов, площадь которых составляла около 6,5 квадратных сантиметров. Исследователи заполнили лабиринты раствором гидроксида калия. В лабиринт запускали миллиметровые капли неполярных органических соединений (например, минеральное масло или дихлорметан), в которых была растворена слабая кислота и красный краситель. «Приз для капли, запущенной в лабиринт» представлял собой небольшой кусочек агарозного геля, пропитанный раствором соляной кислоты. Гржибовски отмечает, что исследователи хотели увидеть, могут ли капли двигаться иначе, чем по прямой линии.

Было обнаружено, что в течение минуты каждая капля находила путь к выходу из лабиринта. Причина движения капли в нужном направлении объясняется очень просто в рамках обычных химических теорий. Кислота, которой пропитан гель медленно просачивается в наполняющий лабиринт раствор гидроксида калия, создавая градиент концентраций: у входа в лабиринт раствор, заполняющий лабиринт имеет основную реакцию, раствор около выхода из лабиринта становится более кислым. Основный раствор, заполняющий лабиринт взаимодействует с кислой каплей, заставляя часть капли, обращенную к выходу становиться более кислой, чем часть капли, расположенную дальше от входа. Диспропорция состава капли приводит к увеличению поверхностного натяжения стороны капли, обращенной от входа, и различие поверхностного натяжения двух участков капли приводит к тому, что капля перемещается к выходу из лабиринта.

Капли минерального масла всегда находили кратчайший путь к выходу, Гржибоски отмечает, что в его группе об этих каплях говорили как о «химических крысах». Капли из дихлорметана двигались с большей скоростью, и из-за этого «сворачивали с правильной тропы», однако всегда быстро возвращались и, корректируя траекторию, «находили» кратчайший путь к выходу.
Казалось, какое отношение может иметь движение капель в лабиринте к терапии рака? Гржибовски заявляет, что клетки рака отличаются большей кислотностью, чем другие клетки организма, поэтому, есть возможность разработать такие носители лекарств, которые, как и капли, перемещавшиеся по лабиринту, смогли бы переносить противораковые препараты, находя раковые клетки по кислотно-основному «следу».

Однако результаты работы могут оказаться полезными не только для медицины. Гржибовски заявляет, что при одновременном введении в лабиринт двух капель они практически никогда не мешали двигаться другу, полагая, что такие системы могут также служить моделями для изучения движения транспорта в большом городе.