Onderzoekers van de Universiteit van Illinois en de Universiteit van Massachusetts, Amherst heeft de eerste stappen gezet om controle te krijgen over de zelfassemblage van synthetische materialen op dezelfde manier als de biologie natuurlijke polymeren vormt. Deze vooruitgang kan nuttig zijn bij het ontwerpen van nieuwe bio-geïnspireerde, slimme materialen voor toepassingen variërend van medicijnafgifte tot detectie tot sanering van milieuverontreinigingen.

eiwitten, die natuurlijke polymeren zijn, gebruik aminozuurbouwstenen om lange moleculaire ketens met elkaar te verbinden. De specifieke ligging van deze bouwstenen, monomeren genoemd, binnen deze ketens creëert sequenties die de structuur en functie van een polymeer dicteren. In het journaal Natuurcommunicatie , de onderzoekers beschrijven hoe ze het concept van monomeersequentiebepaling kunnen gebruiken om de polymeerstructuur en -functie te beheersen door gebruik te maken van een eigenschap die aanwezig is in zowel natuurlijke als synthetische polymeren - elektrostatische lading.

"Eiwitten coderen informatie via een precieze opeenvolging van monomeren. deze precieze controle over de sequentie is veel moeilijker te controleren in synthetische polymeren, dus er is een grens geweest aan de kwaliteit en hoeveelheid informatie die kan worden opgeslagen, " zei Charles Sing, een professor in chemische en biomoleculaire engineering in Illinois en een co-auteur van een studie. "In plaats daarvan, we kunnen de ladingsplaatsing langs de synthetische polymeerketens regelen om zelfassemblageprocessen aan te sturen."

"Onze studie richt zich op een klasse van polymeren, coacervaten genoemd, die scheiden als olie en water en een gelachtige substantie vormen, " zei Sarah Perry, een studie co-auteur en Universiteit van Massachusetts, Amherst hoogleraar scheikundige technologie, evenals een Illinois-alumna.

Door een reeks experimenten en computersimulaties, de onderzoekers ontdekten dat de eigenschappen van de resulterende geladen gels kunnen worden afgestemd door de volgorde van ladingen langs de polymeerketen te veranderen.

"Fabrikanten gebruiken coacervaten vaak in cosmetica en voedingsproducten om smaken en additieven in te kapselen, en als een manier om het 'gevoel' van het product te beheersen, " Sing zei. "De uitdaging was of ze de textuur of de dikte moesten veranderen, ze zouden het gebruikte materiaal moeten veranderen."

Sing en Perry laten zien dat ze de structuur van de polymeerketens kunnen herschikken door hun lading af te stemmen om de gewenste eigenschappen te ontwikkelen. "Dit is hoe biologie de eindeloze diversiteit van het leven maakt met slechts een klein aantal moleculaire bouwstenen, " Zei Perry. "We stellen ons voor om dit bio-inspiratieconcept de cirkel rond te maken door coacervaten te gebruiken in biomedische en milieutoepassingen."

De resultaten van dit onderzoek openen een enorm aantal mogelijkheden om de diversiteit aan gebruikte polymeren en de schaal van toepassingen uit te breiden, aldus de onderzoekers. "Momenteel, we werken met materialen op macroschaal - dingen die we kunnen zien en aanraken, " Sing zei. "We hopen dit concept uit te breiden naar het domein van nanotechnologie, ook."