Een veelzijdige klasse van flexibele, eiwitachtige polymeren zouden toekomstige methoden voor medicijnafgifte aanzienlijk kunnen verbeteren. Maar eerst, wetenschappers moeten een betrouwbaar proces ontwikkelen om deze polymeren op maat te maken in vormen die medicijnen effectief door het menselijk lichaam kunnen transporteren.

Donghui Zhang, een professor in de chemie aan de Louisiana State University, is bij het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om dit probleem op te lossen. Haar doel is om meer te leren over kristallisatie-gedreven zelfassemblage, een techniek voor het vormen van vaste materialen op nanoschaal uit polymere oplossingen. specifiek, ze wil beter begrijpen hoe deze techniek kan worden gebruikt om nanostructuren met gecontroleerde vorm te maken van polymeren die bekend staan ​​​​als polypeptoïden. Deze polymeren zijn bijzonder goed in het navigeren door het gecompliceerde ecosysteem van het menselijk lichaam, en als Zhang een effectieve manier kan vinden om ze om te vormen tot taakspecifieke structuren, ze kan ingenieurs en andere onderzoekers misschien betere toegang geven tot opwindend nieuw materiaal. Haar onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift macromoleculen .

"We weten dat het mogelijk is om deze nanostructuren te maken van polypeptoïden, maar er zijn veel aspecten van dit proces die slecht worden begrepen. We zouden er graag meer over willen weten, zodat andere wetenschappers gemakkelijker toegang hebben tot deze materialen, " zei Zhang.

Zhang legt uit dat door kristallisatie aangestuurde zelfassemblage een proces beschrijft waarbij polymeren die in oplossing zijn opgelost zich langzaam assembleren tot stijvere nanoscopische structuren wanneer die oplossing wordt afgekoeld tot onder het kristallisatiepunt. Afhankelijk van de exacte vorm en afmetingen van deze gekristalliseerde structuren, ze kunnen vervolgens worden gebruikt om een ​​aantal medische missies uit te voeren, zoals het inkapselen van medicijnen en de langzame afgifte van medicatie in de bloedbaan.

"Deze polymeren kunnen zichzelf in een grote verscheidenheid aan vormen assembleren. Vezels, staven, en tweedimensionale platen zijn allemaal mogelijke uitkomsten van door kristallisatie aangestuurde zelfassemblage, en elk van deze vormen kan voor een ander doel worden gebruikt, " zei Zhang.

Het probleem, ze legt uit, voorspelt precies welke vormen zullen verschijnen zodra het polymeer in oplossing kristalliseert. Sommige vormen zijn waardevoller dan andere. Vooral, nanostaafjes en eendimensionale nanofibrillen gemaakt van polypeptoïden zijn uitstekende dragers voor bepaalde medicijnen tegen kanker en kunnen lange tijd in de bloedbaan overleven. Zhang wil de mechanismen achter kristallisatiegestuurde zelfassemblage beter begrijpen, zodat ze het proces kan aanscherpen en deze nuttige vormen met grotere regelmaat kan produceren.

"Om de effectiviteit van dit materiaal te maximaliseren, we moeten ervoor zorgen dat het een op maat gemaakte morfologie heeft, wat betekent dat het iets moet zijn dat we kunnen synthetiseren in specifieke vormen en maten, " zei Zhang.

Om meer te weten te komen over door kristallisatie aangestuurde zelfassemblage en hoe deze kan worden gebruikt om nanostructuren op maat te maken van polypeptoïden, Zhang gebruikte een combinatie van neutronen- en röntgenverstrooiing om polypeptoïde monsters te bestuderen die in oplossing waren gesuspendeerd.

Zhang kreeg middelen aan DOE's ORNL en Brookhaven National Laboratory (BNL) via een nieuw gezamenlijk toegangsprogramma voor kleine hoek neutronenverstrooiing (SANS) en kleine hoek röntgenverstrooiing (SAXS). Het programma versnelt het onderzoeksproces enorm en verhoogt de snelheid waarmee wetenschappers hun ontdekkingen kunnen publiceren door hen in staat te stellen om bundeltijd bij beide faciliteiten aan te vragen via een enkel voorstel - met toegang tot het Bio-SANS-instrument bij ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) en het Bio-SAXS (LiX) instrument bij BNL's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). In feite, de Macromolecules-paper is de eerste publicatie die voortkomt uit het SAXS-SANS-partnerschap.

Neutronen zijn bijzonder gevoelig voor lichte elementen zoals waterstof, terwijl röntgenstralen gevoeliger zijn voor zwaardere elementen. Als resultaat, verschillende structurele kenmerken van de moleculaire assemblages werden benadrukt met behulp van SANS of SAXS. Bijvoorbeeld, de SANS-gegevens waren van cruciaal belang voor het bepalen van de externe vorm van de bouwstenen van de structuur, terwijl de interne atomaire afstand of opstelling van de structuur niet kon worden bepaald zonder de röntgengegevens. Gecombineerde analyse van beide gegevens gaf een betrouwbaarder en vollediger beeld van de structurele informatie van de moleculaire assemblages.

Bio-SANS kan materie onderzoeken over een breed scala aan lengteschalen, wat betekent dat Zhang in staat is om gegevens te genereren over zowel de minieme kenmerken van de nanoscopische structuren van deze materialen als de grotere systemen die dicteren hoe deze materialen zichzelf organiseren in een enkel experiment.

"We kunnen de complexere polymere nanostructuren die uit de polymere oplossingen tevoorschijn komen in realtime observeren met behulp van SAXS, die ons een uitstekende hoeveelheid kennis verschaft over hoe deze materialen zichzelf assembleren tijdens kristallisatie, " zei Zhang.

"Kleine-hoek neutronenverstrooiing en kleine-hoek röntgenverstrooiing vullen elkaar echt aan, dus als je ze combineert, u kunt een vollediger beeld krijgen van de structuur van uw monster. Ik heb echt genoten van deze gezamenlijke toegang tot SANS bij ORNL en SAXS bij BNL, en ik denk dat het een grote aanwinst zal zijn voor onderzoekers die meer willen weten over materiële systemen."

ORNL-instrumentwetenschapper Shuo Qian voegde toe:"Elke wetenschapper zou baat kunnen hebben bij dit programma. Met één voorstel, u heeft toegang tot beide faciliteiten. Dat is een zeldzame kans voor onderzoekers om een ​​overvloed aan verschillende gegevens te krijgen."

Zhang hoopt dat haar onderzoek andere wetenschappers zal helpen om kristallisatiegestuurde zelfassemblage toe te passen om efficiënt nieuwe soorten materialen te maken van polypeptoïden en andere veelbelovende polymeren.

"Deze nanostructuren kunnen nuttig zijn voor het verbeteren van een aantal belangrijke medische procedures, en ons doel is om onderzoek te genereren waarmee collega's deze materialen effectiever kunnen synthetiseren, " zei Zhang.

Aanvullende röntgenmetingen werden gedaan bij de Advanced Photon Source (APS) van het Argonne National Laboratory en de High Energy Synchrotron Source van Cornell University.