Biomedische ingenieurs van Duke University hebben een methode bedacht om kleine deeltjes te maken die veilig zijn voor levende weefsels, waardoor ze nieuwe vormen kunnen creëren die aantrekkelijk zijn voor medicijnafgifte, diagnostiek en tissue engineering.

De resultaten verschijnen op 12 maart online in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Met niets meer dan wat warmte en licht, we kunnen behoorlijk bizarre microdeeltjes maken, " zei Stefan Roberts, een biomedische technische onderzoekswetenschapper bij Duke. "De techniek is zo eenvoudig dat het kan worden opgeschaald om binnen enkele minuten miljarden microdeeltjes te maken."

In de wereld van biocompatibele microdeeltjes, vorm, maat, interne microstructuur en type materiaal dicteren hun intrinsieke eigenschappen. Hoewel bedrijven en onderzoekslaboratoria al veel complexe microdeeltjes kunnen fabriceren, het proces omvat meestal geavanceerde productietechnieken zoals microfluïdica met meerdere emulsies of stroomlithografie. Beide hebben hun nadelen.

Microfluïdica met meerdere emulsies controleert moeizaam een ​​reeks afzonderlijke oliedruppeltjes, maar worstelt om materialen volledig van elkaar gescheiden te houden en kan niet worden gebruikt voor grootschalige productie. Flowlithografie schijnt licht door een patroonmasker om vormen in zachte materialen te etsen en kan in korte tijd veel deeltjes maken, maar het proces is moeilijk aan te passen aan gecompliceerde vormen en interne architecturen.

Werken met Ashutosh Chilkoti, de Alan L. Kaganov Distinguished Professor of Biomedical Engineering aan Duke, Roberts ging op zoek naar een geheel nieuwe benadering:biologische materialen. Het onderzoekspaar heeft een geschiedenis van werken met elastine-achtige polypeptiden (ELP's), dat zijn ongeordende eiwitten die, net als een bal spaghetti, ontlenen hun stabiliteit aan chaos en hebben geen echte vorm. Recenter, het team begon te werken met gedeeltelijk geordende eiwitten (POP's), die veel van de biologisch bruikbare eigenschappen van de ELP's behouden, maar voldoende geordende segmenten hebben om meer stabiliteit te bieden dan natte noedels.

Beide soorten eiwitten kunnen zo worden ontworpen dat ze bij bepaalde temperaturen heen en weer schakelen tussen fasetoestanden. Hoewel dit een handige functie is voor toepassingen zoals het langzaam afgeven van medicijnen in het lichaam of het ondersteunen van weefselgroei in wonden, de onderzoekers ontdekten al snel dat ze ook verschillende deeltjesvormen konden creëren door ELP's en POP's samen te voegen.

"Ongeordende eiwitten zijn een hot topic in de biologie, met veel onderzoekers die proberen te ontdekken hoe eiwitten zonder vorm toch een biologisch doel kunnen hebben, "zei Roberts. "Een onderstroom van ons werk is om in plaats daarvan over deze eiwitten te denken zoals een materiaalwetenschapper zou doen en te kijken of we ze kunnen ontwikkelen voor onze eigen biologische functies op manieren die niet kunnen worden bereikt met de huidige materialen."

In de krant, Roberts en Chilkoti demonstreren enkele nieuwe microdeeltjes gemaakt met deze twee soorten eiwitten. Door de temperaturen aan te passen waarbij ze monteren en demonteren, en heen en weer vegen door een reeks temperaturen met verschillende snelheden, laten de onderzoekers zien dat ze een reeks vormen kunnen creëren, zoals een schelp met een vaste kern, een schaal zonder kern, en een wirwar van koorden bezaaid met schelpen die ze "vruchten aan een wijnstok" noemden. Vervolgens, door lichtgevoelige aminozuren op te nemen, ze laten zien dat ze deze vormen met een lichtflits kunnen bevriezen tot vaste microdeeltjes.

De onderzoekers zeggen dat het vermogen om microdeeltjes te creëren met nauwkeurig gescheiden regio's relevant is voor toepassingen zoals medicijnafgifte en weefselengineering.

Elke set parameters creëert tegelijkertijd miljoenen solide, biocompatibele microdeeltjes iets groter dan een gemiddelde cel. Het duurt maar een paar minuten, en het gebeurt allemaal in een hoeveelheid vloeistof ter grootte van een druppel water.

"Dit is een testcase voor een type materiaal dat flexibel en eenvoudig genoeg is om zowel veelgebruikte vormen als architecturen te creëren die met de huidige technieken niet worden gezien, " zei Roberts. "We gebruiken nieuwe biocompatibele materialen om nooit eerder vertoonde vormen te creëren door simpelweg te verwarmen, afkoelen en een licht op hen laten schijnen."