Wetenschappers hebben gezocht naar manieren om materialen te ontwikkelen die zo dynamisch zijn als levende wezens, met het vermogen om van vorm te veranderen, eigenschappen omkeerbaar verplaatsen en wijzigen.

Nutsvoorzieningen, met de natuur als inspiratiebron, Wetenschappers van de Northwestern University hebben zachte materialen ontwikkeld die zichzelf autonoom assembleren tot moleculaire superstructuren en op verzoek opmerkelijk uiteenvallen. het veranderen van de eigenschappen van materialen en het openen van de deur voor nieuwe materialen in toepassingen variërend van sensoren en robotica tot nieuwe medicijnafgiftesystemen en hulpmiddelen voor weefselregeneratie.

De zeer dynamische nieuwe materialen vormen hydrogels en hebben ook onverwachte biologische aanwijzingen opgeleverd over de micro-omgeving van de hersenen na verwonding of ziekte, toen hun superstructuren omkeerbare fenotypes in hersencellen onthulden die kenmerkend zijn voor beschadigd of gezond hersenweefsel.

"We zijn eraan gewend te denken dat materialen een statische reeks eigenschappen hebben, " zei Samuel I. Stupp, co-corresponderende auteur van het artikel. "We hebben aangetoond dat we zeer dynamische synthetische materialen kunnen maken die zichzelf kunnen transformeren door superstructuren te vormen en dit op verzoek omkeerbaar kunnen doen, dat is een echte doorbraak met ingrijpende implicaties."

De resultaten worden vandaag (4 oktober) gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap . Stupp is directeur van Northwestern's Simpson Querrey Institute en is de Board of Trustees Professor of Materials Science and Engineering, Scheikunde, Geneeskunde en Biomedische Technologie. Erik Luijten, Hoogleraar en voorzitter van Materials Science and Engineering and Engineering Sciences and Applied Mathematics, is co-corresponderende auteur.

Om het materiaal te maken, Stupp en zijn postdoctorale collega Ronit Freeman, nu een universitair hoofddocent aan de Universiteit van North Carolina, kapel heuvel, ontwikkelde sommige moleculen die zijn samengesteld uit peptiden (verbindingen van aminozuren) en andere die zijn samengesteld uit peptiden en DNA. Bij elkaar geplaatst, deze twee soorten moleculen zijn samen geassembleerd om in water oplosbare filamenten op nanoschaal te vormen.

Wanneer filamenten die complementaire DNA-sequenties bevatten die dubbele helices kunnen vormen, werden gemengd, de DNA-bevattende moleculen die zijn ontworpen om dubbele helices te creëren, "sprongen" uit hun filamenten om de unieke complexe superstructuren te organiseren, de moleculen zonder DNA achterlatend om eenvoudige filamenten te vormen.

De DNA-superstructuren, met miljoenen moleculen, zagen eruit als gedraaide bundels filamenten die afmetingen bereikten in de orde van microns in zowel lengte als breedte. Het resulterende materiaal was aanvankelijk een zachte hydrogel, die mechanisch stijver werd naarmate de bovenbouw werd gevormd. De structuren waren hiërarchisch, wat betekent dat ze geordende structuren op verschillende schaalgroottes bevatten. De natuur doet dit heel goed - bot, spier en hout zijn hiërarchische materialen, maar dergelijke structuren zijn erg moeilijk te bereiken in synthetische materialen.

Nog beter, de onderzoekers ontdekten dat toen ze een eenvoudig DNA-molecuul toevoegden dat de dubbele helices kon verstoren die filamenten in de superstructuren met elkaar verbindt, de bundels kwamen los, en het materiaal keerde terug naar zijn eenvoudige oorspronkelijke structuur en zachtere staat. Een ander type molecuul zou dan kunnen worden gebruikt om de stijvere materialen met bovenbouw te hervormen. Dat soort omkeerbaarheid was nog nooit eerder bereikt.

Om beter te begrijpen hoe dit proces werkte, Stupp verbonden met Luijten, een computationele materiaalwetenschapper. Luijten, met zijn afgestudeerde student Ming Han, ontwikkelde simulaties die hielpen bij het verklaren van de mechanica achter hoe en waarom de bundels vormden en verdraaiden. Bij dergelijke simulaties Han en Luijten konden onderzoeken hoe elk onderdeel van de ontworpen moleculen de creatie van de superstructuren zou kunnen sturen. Na uitgebreide berekeningen - elke berekening duurde weken op de Quest-supercomputer van Northwestern - ontdekten ze dat de moleculen geen DNA nodig hadden om zich te bundelen, maar in principe konden worden gevormd door vele andere paren moleculen met chemische structuren die sterk op elkaar inwerken.

"Op basis van ons begrip van het mechanisme, we voorspelden dat alleen positieve en negatieve ladingen op het oppervlak van de filamenten voldoende zouden zijn, " aldus Luijten. Dat betekende dat dergelijke superstructuren konden worden gemaakt zonder de aanwezigheid van DNA, in een volledig synthetisch materiaal.

Stupp en zijn laboratoriumleden creëerden vervolgens hetzelfde materiaal met alleen peptiden in plaats van DNA. Toen de onderzoekers peptiden met tegengestelde ladingen gebruikten in een specifieke architectuur die DNA-complementariteit nabootst, ze ontdekten dat ze zichzelf assembleerden tot superstructuren die ook omkeerbaar waren toen de ladingen werden geneutraliseerd.

De mogelijke toepassingen voor deze materialen breiden zich uit naar de geneeskunde en daarbuiten. Een complexe therapie met eiwitten, antilichamen, medicijnen, zelfs genen kunnen worden opgeslagen in de superstructuren en op verzoek in het lichaam worden vrijgegeven als de hiërarchische structuren verdwijnen. Scientists could also search for new materials in which the reversible superstructures lead to changes in electronic, optical or mechanical properties, or even color and light emission, Stupp said.

"Now that we know this is possible, other scientists can use their imagination and design new molecules in search of these new 'dynamic' materials that reorganize internally on demand to change properties, " hij zei.

The new materials also led the researchers to a biological discovery. They took astrocytes—cells in the brain and spinal cord associated with neurons—and placed them on the new materials. Astrocytes are important because when the brain or the spinal cord are injured or diseased, they acquire a specific shape known as the "reactive phenotype" and produce scars that are dense fibrous networks. In the healthy brain, astrocytes have a "naïve phenotype" and a different shape.

interessant, when the researchers placed astrocytes on the material with only simple filaments, the astrocytes had a naïve phenotype, but when the superstructures formed they became reactive. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."