Onderzoekers van de McGill University hebben polymeerdeeltjes chemisch bedrukt met DNA-strengen - een techniek die zou kunnen leiden tot nieuwe materialen voor toepassingen variërend van biogeneeskunde tot het veelbelovende veld van 'zachte robotica'.

In een studie gepubliceerd in Natuurchemie , beschrijven de onderzoekers een methode om asymmetrische polymeerdeeltjes te creëren die op een ruimtelijk gedefinieerde manier aan elkaar binden, de manier waarop atomen samenkomen om moleculen te maken.

Hoewel polymeren in alles worden gebruikt, van kleding en voedselverpakkingen tot 3D-printen en elektronica, de meeste zelf-geassembleerde polymeerstructuren zijn beperkt tot symmetrische vormen zoals bolvormige of cilindrische vormen. Onlangs, echter, wetenschappers hebben zich gericht op het creëren van niet-symmetrische polymeerstructuren - bijvoorbeeld 'Janus'-deeltjes met twee verschillende 'gezichten' - en ze beginnen spannende nieuwe toepassingen voor deze materialen te ontdekken. Een voorbeeld:robotica gemaakt met zachte, flexibele structuren die van vorm kunnen veranderen als reactie op externe prikkels.

De methode beschreven in de Natuurchemie paper "een programmeerbaar organisatieniveau introduceert dat momenteel moeilijk te bereiken is in de polymeerchemie, " zegt McGill scheikunde professor Hanadi Sleiman, senior auteur van de studie. "Het chemisch kopiëren van de informatie in DNA-nanostructuren biedt een krachtige oplossing voor het probleem van grootte, vorm- en richtingscontrole voor polymere materialen."

DNA-kooien als mallen gebruiken

De nieuwe studie bouwt voort op een techniek die in 2013 is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Sleiman om "kooien" op nanoschaal te maken van DNA-strengen, en vul ze met lipide-achtige polymeerketens die samenvouwen tot een balvormig deeltje dat lading kan bevatten, zoals medicijnmoleculen.

Om die nano-engineering nog een stap verder te brengen, Sleiman en haar promovendus Tuan Trinh werkten samen met collega's van de University of Vermont en de Texas A&M University in Qatar. Samen, de onderzoekers ontwikkelden een methode om de polymeerbal te bedrukken met DNA-strengen die in vooraf ontworpen oriëntaties zijn gerangschikt. De kooien kunnen dan losgemaakt worden, DNA-bedrukte polymeerdeeltjes achterlatend die in staat zijn zichzelf te assembleren - net als DNA, zelf - in vooraf ontworpen patronen. Omdat de DNA-kooien worden gebruikt als een 'mal' om het polymeerdeeltje te bouwen, de deeltjesgrootte en het aantal moleculaire eenheden in het polymeer kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd, zegt Sleiman, die de Canada Research Chair in DNA Nanoscience bekleedt.

De asymmetrische polymeerstructuren zouden uiteindelijk in een reeks van toepassingen kunnen worden gebruikt, zeggen de onderzoekers. Een mogelijk voorbeeld:polymeerdeeltjes met meerdere compartimenten, waarbij elk compartiment een ander medicijn inkapselt dat kan worden afgegeven met verschillende stimuli op verschillende tijdstippen. Een andere mogelijkheid:poreuze membranen die asymmetrisch zijn, dus sturen ze moleculen langs specifieke paden om vervolgens te scheiden.