Cafeïne staat bekend om zijn vermogen om mensen te helpen alert te blijven, maar een team van onderzoekers van het MIT en Brigham and Women's Hospital heeft nu een nieuwe toepassing bedacht voor deze chemische stimulant:het katalyseert de vorming van polymeermaterialen.

Cafeïne als katalysator gebruiken, hebben de onderzoekers een manier bedacht om gummy te maken, biocompatibele gels die kunnen worden gebruikt voor medicijnafgifte en andere medische toepassingen.

"De meeste synthetische benaderingen voor het synthetiseren en verknopen van polymere gels en andere materialen gebruiken katalysatoren of omstandigheden die gevoelige stoffen zoals biologische geneesmiddelen kunnen beschadigen. hier gebruikten we groene chemie en gewone voedselingrediënten, " zegt Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het MIT en een van de senior auteurs van de studie. "Wij geloven dat deze nieuwe materialen nuttig kunnen zijn bij het maken van nieuwe medische apparaten en medicijnafgiftesystemen."

In hun krant die verschijnt in het journaal Biomaterialen , de onderzoekers toonden aan dat ze de gels konden vullen met twee antimalariamiddelen, en ze verwachten dat het materiaal ook kan worden gebruikt om andere soorten drugs te vervoeren. Geneesmiddelen die door dit soort materiaal worden vervoerd, kunnen kauwbaar of gemakkelijker te slikken zijn, zeggen de onderzoekers.

"Het is echt aantrekkelijk voor patiëntenpopulaties, vooral kinderen, die moeite hebben met het doorslikken van capsules en tabletten, " zegt Giovanni Traverso, een onderzoeksfiliaal bij MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en een gastro-enteroloog en biomedisch ingenieur bij Brigham and Women's Hospital, die ook een senior auteur van het papier is.

Voormalig MIT-postdoc Angela DiCiccio, die nu bij Verily Life Sciences zit, de life sciences-divisie van Google X, is de hoofdauteur van het artikel.

Cafeïnetoename

Voor het maken van polymeergels zijn meestal metaalkatalysatoren nodig, wat gevaarlijk kan zijn als een van de katalysatoren in het materiaal achterblijft nadat de gel is gevormd. Het MIT-team wilde een nieuwe manier bedenken om gels te maken met katalysatoren en uitgangsmaterialen die zijn gebaseerd op voedingsproducten en andere materialen die veilig kunnen worden ingenomen.

"Ons doel was om te proberen de fabricagemethode te vereenvoudigen en vanaf het begin een verbeterd veiligheidsprofiel te geven door mogelijk veiligere katalysatoren te gebruiken, ' zegt Traverso.

Hoewel cafeïne nog niet eerder is gebruikt voor chemische synthese, het trok de aandacht van de onderzoekers omdat het plantaardig is en als een zwakke basis kan fungeren, wat betekent dat het voorzichtig protonen van andere moleculen verwijdert. Het heeft ook een vergelijkbare structuur als sommige andere organische zwakke basen die zijn gebruikt om het type chemische reactie te katalyseren dat nodig is om deze gels te vormen - de vorming van esterbindingen om een ​​polyester te creëren.

"Polyesters zorgen voor het opzettelijke ontwerp van opneembare materialen gemaakt van biologisch afgeleide bronnen, "zegt DiCiccio. "Echter, er bestonden geen katalysatoren die mild genoeg waren om deze moleculen te verankeren zonder ongewenste reacties te veroorzaken of superhoge hitte te vereisen. Ons nieuwe platform biedt een elegante oplossing voor dit probleem met behulp van goedkope materialen en breed toegankelijke chemie."

De onderzoekers besloten cafeïne te gebruiken om citroenzuur te induceren, een ander eetbaar materiaal geproduceerd door planten, om samen met polyethyleenglycol (PEG) een polymeernetwerk te vormen, een biocompatibel polymeer dat al tientallen jaren wordt gebruikt in medicijnen en consumentenproducten zoals tandpasta.

Wanneer gemengd met citroenzuur en PEG, en licht verwarmd, cafeïne opent een zuurstofbevattende ring in de PEG, waardoor het kan reageren met citroenzuur om ketens te vormen die bestaan ​​uit afwisselende moleculen van PEG en citroenzuur. Als geneesmiddelmoleculen in het mengsel aanwezig zijn, ze worden ook opgenomen in de ketens.

Mix en match

De onderzoekers toonden aan dat ze twee malariamedicijnen konden laden, artesunaat en piperaquine, in deze polymeren. Ze kunnen ook de chemische en mechanische eigenschappen van de gel variëren door de samenstelling ervan te veranderen. Ze creëerden gels die ofwel PEG bevatten of een ander polymeer genaamd polypropyleenglycol, evenals enkele die die twee polymeren in verschillende verhoudingen combineren. Hierdoor kunnen ze eigenschappen zoals de sterkte van het materiaal, zijn oppervlaktestructuur, en de snelheid waarmee de medicijnen worden vrijgegeven.

"Afhankelijk van wat de toepassing kan zijn, of welke drugs worden gebruikt, je zou kunnen mixen en matchen om een ​​optimale mix te vinden, ' zegt Traverso.

De gels kunnen ook worden bedrukt met patronen zoals de architectuur op microschaal die te vinden is op het oppervlak van lotusbladeren, waardoor ze water kunnen afstoten. Door de oppervlaktekenmerken van het materiaal te veranderen, kunnen onderzoekers bepalen hoe snel of langzaam de gels door het spijsverteringskanaal gaan.

De resulterende gels bevatten een kleine hoeveelheid cafeïne, ongeveer hetzelfde als die in een kopje thee. In voorlopige veiligheidstests, vonden de onderzoekers geen schadelijke effecten in vier soorten menselijke cellen, of bij ratten.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.