Wetenschappers trainen nano-'bouwblokken 'om nieuwe vormen aan te nemen

Wetenschappers trainen nano-'bouwblokken 'om nieuwe vormen aan te nemen

Anonim
Image

Onderzoekers van de Universiteit van Delaware en de Washington University in St. Louis hebben ontdekt hoe ze synthetische polymeermoleculen kunnen trainen om zich te gedragen - letterlijk "zelfassemblerend" - en te vormen tot lange cilinders met meerdere compartimenten die 1000 keer dunner zijn dan een mensenhaar, met potentieel gebruik in radiologie, signaalcommunicatie en de afgifte van therapeutische geneesmiddelen in het menselijk lichaam.

De ontdekking, een fundamenteel nieuw hulpmiddel voor nanotechnologie, is gepubliceerd in het 3 augustus nummer van het prestigieuze tijdschrift Science .

Darrin Pochan, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de University of Delaware, en Karen Wooley, de James S. McDonnell Distinguished Professor of Arts & Sciences aan de Washington University in St. Louis, leidde de onderzoeksinspanning, waarbij ook co-auteurs betrokken waren Honggang Cui, een recent gepromoveerde en promovendus Sheng Zhong aan de UD, en Zhiyun Chen, een promovendus van Wooley's.

De focus van het onderzoek lag op blokcopolymeren, dit zijn synthetische moleculen die twee of meer chemisch verschillende segmenten bevatten die aan elkaar zijn gebonden. Blokcopolymeren worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan materialen te maken, zoals plastic, rubberen zolen voor schoenen, en meer recent, draagbare geheugensticks ("flash drives") voor computers.

"Een blokcopolymeer is een molecuul met een lange keten, waarvan de lengte of het blok chemisch anders is dan de andere, " zei Pochan. “In ons geval hebben we een blok genomen dat van water houdt, en een ander gedeelte dat niet houdt. Dus wanneer je ze in oplossing brengt, proberen de waterhaatblokken weg te komen van het water, en zo krijg je verschillende vormen, micellen genaamd, om te vormen. ”

Het door de wetenschappers gebruikte systeem bestond uit een tri-blokcopolymeer bestaande uit polyacrylzuur, polymethylacrylaat en polystyreen geïntroduceerd in een oplossing van tetrahydrofuran en water, en organische diamines. De techniek vertrouwde op tweewaardige organische tegenionen en mengsels van oplosmiddelen om de organisatie van de blokcopolymeren langs specifieke paden in slangachtige, eendimensionale structuren te drijven.

Veel van het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van de krachtige microscopen in de WM Keck Electron Microscopy Facility van het UD College of Engineering, onder leiding van Chaoying Ni. Technicus Frank Kriss stond het onderzoeksteam bij.

Wooley, een expert in polymeerchemie, en Pochan, een materiaalwetenschapper, ontmoetten elkaar op onderzoeksconferenties, waar ze hun respectieve projecten bespraken. Ze had bolvormige micellen ontworpen voor gebruik bij medicijnafgifte en radiologie, maar merkte onder sommige oplossingsomstandigheden op dat haar studenten verschillende vormen konden produceren.

Hoewel hun labs ongeveer 900 mijl uit elkaar liggen, zeggen de wetenschappers dat hun onderzoek een "geweldige en synergetische samenwerking" is geweest.

"In de wereld van zelfassemblage voor nanotechnologie is het een uitdaging om iets anders te maken dan de vorm van een bal, " merkte Pochan op. “Als je kleine balletjes vol een medicijn in de bloedbaan stopt, zullen de organen en het immuunsysteem van het lichaam ze binnen ongeveer een dag verwijderen. Maar als je de moleculen in lange, slappe cilinders plaatst, kunnen ze weken in het lichaam blijven, 'merkte Pochan op.

Het veranderen van de vorm van de micel kan een medicijn voor een lange tijd in het menselijk lichaam dragen, volgens Pochan, wat mogelijk de langdurige afgifte van chemotherapie door een enkele injectie mogelijk maakt.

"Door van een bol naar een cilinder te gaan, zou je denkbaar twee of drie of vier verschillende medicijnen in één injectie kunnen toedienen, één op één lichaamsdeel en andere naar andere lichaamsdelen allemaal via dezelfde zelfassemblage, " zei hij .

Hoewel het onderzoek verre van praktische toepassingen is, heeft de ontdekking van het team een ​​nieuwe, fundamentele "bottom-up" -techniek opgeleverd voor het bouwen van nanostructuren.

"Het draait allemaal om het bouwen van materialen en nanostructuren op een eenvoudige manier, " zei Pochan. “Het doel is om een ​​molecuul te ontwerpen met alle regels - alle informatie die het nodig heeft - om de gewenste vorm en grootte aan te pakken. Dan gooi je ze in het water en zie je wat je krijgt - hopelijk de gewenste, complexe nanostructuur. ”

Ironisch genoeg dacht Pochan dat hij klaar was met werken met blokcopolymeren toen hij jaren geleden op de graduate school zat.

"Ik ben nu bezig met dingen die ik op de middelbare school in de jaren '90 heb gedaan over rubber en plastic, " zei hij. "Als je echter naar blokcopolymeren kijkt als een hulpmiddel voor zelfassemblage, zijn er veel meer potentiële toepassingen dan rubber voor je schoen of plastic coating voor je vloer, " merkte hij op.

"We kunnen dezelfde moleculen gebruiken, maar ze trainen om iets heel nuttigs te krijgen voor zover geavanceerde technologie gaat, " zei hij. "Het is grappig hoe onderzoek in stijl terugkomt en we nieuwe toepassingen vinden voor 'oude tools'."

Bron: Universiteit van Delaware