Sommige materialen zijn speciaal niet voor wat ze bevatten, maar voor wat ze niet bevatten. Dat is het geval met metaal-organische raamwerken (MOF's) - ultraporeuze structuren die worden ontwikkeld voor een verscheidenheid aan toekomstige toepassingen, van brandwerendheid tot medicijnafgifte.

MOF's zijn, in feite, de meest poreuze materialen die de mensheid kent. Een metaal-organisch raamwerk, zogenaamde NU-110, heeft zo'n groot oppervlak dat slechts één gram kan worden uitgevouwen om anderhalve voetbalvelden te bedekken.

Dat enorme interne oppervlak is het resultaat van de atomaire componenten - metaalatomen die met elkaar verbonden zijn door organische moleculen, een kooiachtige structuur vormen. Het is door te sleutelen aan de chemie van deze kooien, en door er verschillende objecten in te plaatsen, dat wetenschappers zoveel verschillende toepassingen kunnen bedenken.

"Door een oordeelkundige keuze van de metalen en linkermoleculen, er is een enorm aantal materialen dat kan worden vervaardigd met eigenschappen die zijn ontworpen voor specifieke behoeften, " zei Dr. Ross Forgan van de Universiteit van Glasgow in het VK, die metaal-organische kaders voor de levering van kankermedicijnen onderzoekt.

Actieve targeting

De meeste geneesmiddelen voor chemotherapie beïnvloeden uiteindelijk zowel gezond weefsel als de tumor, vandaar de bekende bijwerkingen van misselijkheid, nierbeschadiging en haaruitval. Om dit te proberen op te lossen, sommige 'passief gerichte' behandelingen zijn gebaseerd op nanodeeltjes om te profiteren van het feit dat tumoren beter zijn dan normale cellen in het vasthouden van nanodeeltjes.

Het doel van Dr. Forgan is om het nog beter te doen en tumoren actief aan te pakken. Kankermedicijnen kunnen worden geladen in metaal-organische kaders, terwijl de MOF's zelf kunnen worden ontworpen om specifiek op tumoren te klikken.

Actieve targeting houdt in dat alle medicijnen aan de deur van een tumor belanden, dus het genereren van minder bijwerkingen. Het betekent ook dat artsen medicamenteuze behandelingen kunnen toepassen die meestal te krachtig zijn om te overwegen.

"Metaal-organische raamwerken stapelen zich niet op, " zei Dr. Forgan. "Zodra ze hun lading hebben afgeleverd, zullen ze hydrolyseren (afbreken), demontage in hun metalen en linkercomponenten, die kan worden gekozen om volledig niet-toxisch te zijn."

Momenteel, Dr. Forgan en zijn collega's ontwikkelen de chemie van metaal-organische raamwerken, met behulp van DNA en andere moleculen, om ze aan tumoren te laten hechten. In de tussentijd, ze ontwikkelen methoden om de MOF's te maken die snel zijn, instelbaar en herhaalbaar - alle belangrijke vereisten voor klinische tests.

100-voudige boost

Dit jaar, deden ze een cruciale ontdekking:dat de cytotoxiciteit, of effectiviteit, van kankermedicijnen wordt grotendeels niet bepaald door hun hoeveelheid, maar door het specifieke mechanisme waardoor ze worden opgenomen. In feite, door dit mechanisme aan te passen met metaal-organische raamwerken, konden de onderzoekers de cytotoxiciteit van eenvoudige antikankermoleculen ongeveer 100-voudig verhogen.

Metaal-organische raamwerken zijn aangeprezen als redders voor bijna alles. Mogelijk, ze zouden waterstof kunnen opslaan voor opwekking van schone elektriciteit, kunstmatige fotosynthese uitvoeren en zelfs chemische wapens detecteren.

Aan het IMDEA Materials Institute in Madrid, Spanje, Professor De-Yi Wang onderzoekt een mogelijk meer wijdverbreide toepassing:brandwerendheid. De huidige brandvertragende materialen zijn gebaseerd op organische moleculen die fosfor bevatten en hoewel effectief, deze zijn slecht voor het milieu en hebben de neiging om de stijfheid van de oppervlakken waarop ze worden aangebracht in gevaar te brengen.

Anderzijds, een metaal-organisch raamwerk kan de mechanische eigenschappen van een oppervlak juist verbeteren. Het kan ook een vlamvertragende verbinding bevatten, maar gebruik er minder van om dezelfde bescherming te genereren.

"We kunnen de vlamvertraging op een milieuvriendelijkere manier verbeteren, zonder de mechanische prestaties op te offeren - of zelfs te verbeteren, " zei prof. Wang. Wanneer zijn vlamvertragende metaal-organische raamwerk wordt blootgesteld aan vuur, Prof. Wang legt uit, in plaats van het gewoon te verbranden, beschermen wat eronder ligt.

instabiel

Tot dusver, geweldig. Maar er blijven problemen, zoals het feit dat metaal-organische raamwerken niet erg stabiel zijn in water - een probleem als, bijvoorbeeld, wetenschappers willen ze opnemen in op water gebaseerde, brandvertragende lakken. Prof. Wang denkt dat het antwoord zou kunnen zijn om de metaal-organische raamwerken te coaten met oppervlakteactieve stoffen - wasmiddel is een veelvoorkomend voorbeeld - om ze te helpen stabiliseren en te mengen met water.

Het goede nieuws is dat de specifieke MOF's die prof. Wang en zijn collega's gebruiken al snel en in grote batches kunnen worden gemaakt, wat betekent dat een goedkope route naar industrialisatie haalbaar lijkt.

"Veel thermisch-plastische polyestersoorten in ons dagelijks leven kunnen vlamvertragend en andere functies hebben, zoals versterkte mechanische eigenschappen, " hij zei.