Van banden tot kleding tot shampoo, veel alomtegenwoordige producten zijn gemaakt met polymeren, grote ketenachtige moleculen gemaakt van kleinere subeenheden, monomeren genoemd, aan elkaar gebonden. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Universiteit van Delaware en de Universiteit van Pennsylvania, met primaire steun van het Amerikaanse Department of Energy Biomolecular Materials Program, heeft een nieuwe fundamentele eenheid van polymeren gecreëerd die een nieuw tijdperk van materiaalontdekking zou kunnen inluiden.

De onderzoekers ontwierpen en creëerden rigide, zelf monteren, aanpasbare polymeerketens door nieuwe bouwstenen, Bundlemers genaamd, aan elkaar te koppelen, een term die bij UD is bedacht. Ze hebben onlangs hun werk beschreven in het tijdschrift Natuur .

Om bundelaars te maken, het team stelt vier individuele peptiden samen, zelf korte ketens van aminozuren, in nanoscopische cilinders. De bundelmercilinders worden dan gekoppeld, samen end-to-end door middel van een zeer efficiënte en gecontroleerde reeks chemische reacties die bekend staat als 'klik'-chemie. De resulterende polymeerketens zijn stijf, staafachtige moleculen die in de biologie zijn gebaseerd maar in de natuur niet bestaan. Bundelmeerketens kunnen vervolgens worden gemodificeerd met componenten zoals synthetische polymeren of anorganische nanodeeltjes om nieuwe hybride nanomaterialen te creëren.

"Er is een uitgangspunt in materialen dat als je functie en structuur kunt controleren, dan kun je eigenlijk alles bouwen, " zei Chris Kloxin, studie auteur en assistent-professor materiaalkunde en engineering en chemische en biomoleculaire engineering aan de UD. "We hebben een zeer goed gedefinieerde structurele eenheid, deze bundelaar, waarop we de mogelijkheid hebben om op elke locatie chemische functionaliteit toe te voegen."

Vanwege hun stijfheid en aanpasbaarheid, bundelaars kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwerpen met een breed scala aan toepassingen, van hoogwaardige vezels tot kunststoffen voor eenmalig gebruik tot biologische producten, geneesmiddelen die biologische componenten gebruiken in plaats van traditionele chemie. Biofarmaceutisch onderzoek en ontwikkeling is een groeiend expertisegebied aan de Universiteit van Delaware, de thuisbasis van het National Institute of Innovation in Biopharmaceutical Manufacturing (NIIMBL).

De stijfheid van bundelaars zou deze materialen ook nuttig kunnen maken als vervanging voor beroemde sterke materialen zoals het staal in bruggen, de zijde in parachutes of de Kevlar in kogelvrije vesten.

Vrijwel elke dag, co-auteur Darrin Pochan, voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering aan de UD, en Kloxin bedenken een nieuwe toepassing om na te streven - genoeg om hen en hun studenten jarenlang bezig te houden.

"Ons idee is dat deze bundelaars echt bouwstenen zijn in elke zin van het woord, " zei Pochan. "We gaan er veel bouwen, veel materialen en technologieën uit deze bouwstenen."

Het team heeft al één patent aangevraagd en is van plan er nog meer in te dienen.

De oorsprong van bundelaars

Pochan en co-auteur Jeffery Saven, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Pennsylvania, werken sinds 2012 samen toen ze een DMREF-beurs van de National Science Foundation ontvingen om designermaterialen te bestuderen. Kristi Kiick, Blue and Gold Distinguished Professor of Materials Science and Engineering, was ook een medewerker van dat project.

De computationele chemiegroep van Saven ontwerpt en modelleert specifieke peptidesequenties om veelbelovende kandidaten voor synthese en karakterisering te identificeren. "Onze groep is betrokken bij het ontwerpen en identificeren van wat te maken, vervolgens modelleren van deze systemen om te proberen hun stabiliteit te begrijpen, "Saven zei over de rol van zijn groep in de samenwerking.

Saven werkt samen aan nieuwe molecuulontwerpen met Pochan en nu Kloxin, die zich later bij de samenwerking hebben aangesloten, waar ze de voor- en nadelen van verschillende peptidesequenties bespreken en hoe je het beste een nieuw materiaal met een specifieke eigenschap kunt maken.

Vervolgens, bij UD, Pochan en Kloxin maken de materialen.

"Het is goed om feedback te krijgen over belangrijke kenmerken om mee te nemen in de berekeningen, " zei Saven over het belang van iteratieve discussies tussen groepen bij UD en Penn.

Zei Pochan:"We ontwerpen en maken vervolgens experimenteel de moleculen om de assemblage in de Bundlemer-bouwstenen uit te voeren, " zei Pochan. "We zijn niet beperkt tot de gereedschapskist van de natuur."

Nog altijd, ondanks zorgvuldige planning, de eerste experimentele resultaten verrasten Pochan en Kloxin - op een goede manier. Toen ze voor het eerst metingen van de stijfheid van de bundelketen zagen, ze gingen ervan uit dat er iets mis was. Gewoonlijk zijn polymeerketens los en flexibel zoals spaghetti, maar polymeren gemaakt van bundelaars lijken meer op lange, dun, stevige staven.

"De stijfheid was behoorlijk verrassend en verbluffend, " zei Pochan. Het was geen vergissing. Aanvullende testen hebben aangetoond dat bundelaars een veel hogere gewichtsstijfheid hebben dan bijna alle andere polymeren, zoals synthetische polymeren en DNA.

Na het synthetiseren van bundelaars, het onderzoeksteam karakteriseerde de materialen met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie en cryogene transmissie-elektronenmicroscopie in het Keck Center for Advanced Microscopy and Microanalysis. Ze bevestigden ook de grootte en structuur van de bundelaars door middel van kleine-hoek neutronenverstrooiingsexperimenten in het NIST Center for Neutron Research, die een samenwerkingsovereenkomst heeft met de Universiteit van Delaware voor het Center for Neutron Science.

Jeff Kaplan, confocale microscopie-expert en directeur van BioImaging bij het Delaware Biotechnology Institute, voerde Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM) Imaging uit om kleine segmenten in de bundelaars te visualiseren. Caplan is co-auteur van de Natuur papier.

Dit project zou niet mogelijk zijn geweest zonder de complementaire expertise van de hoofdonderzoekers. Saven blinkt uit in berekeningen en theorie. Kloxin blinkt uit in polymeerchemie. Pochan blinkt uit in materiaalsynthese en karakterisering.

"We hebben veel overlap met onze expertise, maar het punt is dat zonder een van ons, niets van dit alles zou zijn gebeurd, "zei Pochan. "Zonder faciliteiten, zoals UD's Keck Microscopy Lab, het BioImaging Center van het Delaware Biotechnology Institute, en onze relatie met NIST en het Center for Neutron Research, dit soort werk zou niet gebeuren."

De toekomst van bundelaars

Volgende, het team wil bundelaars toegankelijker maken, gemakkelijker te synthetiseren, en schaalbaar.

Wetenschappers over de hele wereld zouden bundelaars kunnen gebruiken om een ​​breed scala aan grote uitdagingen in de techniek aan te pakken. "Dit zijn hulpmiddelen die iedereen kan gebruiken, of je een chemicus bent, ingenieur, of natuurkundige, " zei Pochan. "Het is zelfs moeilijk om een ​​gelijkwaardig materiaal of experimenteel hulpmiddel te bedenken dat mensen op grote schaal gebruiken. Het is als een gereedschapskist voor iedereen om toekomstige dingen te ontwerpen."