高分子化学家和材料科学家已经取得了一些模仿大自然的显着进步，但迄今为止，细胞最常见和最实用的特征之一是细胞内区域化。它指的是细胞中许多不同的细胞器，囊泡和其他“水包水”软结构包含和分离化学反应和过程的方式。它还允许选择性地与细胞内的最终用户共享反应产物。
现在由马萨诸塞州阿默斯特大学和劳伦斯伯克利实验室的Thomas Russell领导的研究小组，博士后研究员Ganhua Xie和其他人在一篇新论文中描述了他们如何利用电荷差异来创造一个“全水， “ 水 – 水 – 水构造，在合成系统中实现区域化。
“我们的结果指出了操纵和改善连续分离和区域化反应的新机会。我觉得我们已经制定了一种模仿活细胞行为的策略，”Russell指出。“人们之前已经尝试过建造模仿大自然并且没有完成它的合成系统，但我们已经做过了。我认为这是第一次证明这一点。” 细节出现在最新一期的Chem中。
能源部支持这项工作的陆军研究办公室材料设计项目经理Evan Runnerstrom说：“这种能够在全环境和生物兼容的全水系统中编程稳定结构和化学功能的能力将为陆军提供前所未有的前所未有的能力。该项目产生的知识可适用于全液体电池，水净化或伤口处理以及现场药物输送的未来技术。
Russell及其同事多年来一直对液体界面感兴趣，并且早些时候进行了许多油水实验，以观察各种条件下的结果。“这导致我们开始研究水包水液体界面，”他指出。
对于这项工作，谢使用了两种聚合物水溶液，一种是聚乙二醇(PEG)和水，另一种是右旋糖酐和水，具有不同的电荷; 它们可以组合但不混合。他们认为这是凝聚的“典型例子” – 溶液经历液 – 液相分离并形成两个独立的区域，如熔岩灯中的非混合蜡和水。
接下来，谢用针将高速喷射的右旋糖酐加水溶液送入PEG加水溶液中，罗素称之为“3D打印水包水”。他说，这项操作可以形成一个凝聚膜稳定的水性或充水小管，其中管的长度可达数公里。这种3-D水 – 水印刷形成了凝聚层的膜层，将两种溶液分开。
作者解释说，以这种方式形成的水管的另一个特征是电荷调节材料是否以及在何种方向上可以通过凝聚层膜。带负电的染料或其他分子只能通过不对称膜的带负电荷的壁，同样也可以通过带正电荷的材料。谢说：“它有效地形成了一个二极管，一个单侧的栅极。我们可以在这个管子或囊内做出反应，产生带正电的分子，只能通过凝聚层扩散到正相中。”
他补充道，“如果我们正确设计系统，我们可以通过充电轻松分离出来，因此它可以用于全水性分区反应系统中的分离介质。我们还可以触发一个反应，使反应级联反应，就像它发生在我们的身体里一样。“
谢解释说，3-D水上印刷可以让他们指向放置这些域的地方。“我们可以构建具有正/负/正层的多层结构。我们可以使用囊状结构作为反应室，”他说。通过区室化分离细胞中的功能和材料的优点包括允许一次发生许多过程，许多不同的化学环境共存以及不兼容的组分并排工作。
在其他测试和实验中，研究人员报告了他们如何设计一个全水管状系统，并在每端连接针头和注射泵，使水能够泵送通过整个结构而不会泄漏，从而形成流通协调反应系统。
“一旦我们完成了它，我们就会看到生物模仿”拉塞尔说。“模仿生物系统已经做了很多努力，生物学家可能会反对并说这太简单了。但我确实认为即使它涉及简单的材料，它仍然有效。它非常靠近脉管系统，它模仿任何化学物质流过膜的地方。它是否存在于体内?不，但它确实模仿了真正的新陈代谢过程，是一种分隔反应。