Van sneeuwvlokken tot kwarts, kristallijne structuren van de natuur vormen met een betrouwbare, systemische symmetrie. Onderzoekers aan de Drexel Universiteit, die de vorming van kristallijne materialen bestuderen, hebben aangetoond dat het nu mogelijk is om te bepalen hoe kristallen groeien, inclusief het onderbreken van de symmetrische groei van platte kristallen en het aanzetten tot het vormen van holle kristallen bollen. De ontdekking maakt deel uit van een bredere ontwerpinspanning gericht op de inkapseling van medicijnen voor gerichte medicamenteuze behandelingen.

De nieuwe ontwikkeling, onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie , werd geleid door Christopher Li, doctoraat, een professor in Drexel's College of Engineering wiens onderzoek in de afdeling Materials Science and Engineering zich heeft gericht op technische polymeerstructuren voor speciale toepassingen, in samenwerking met Bin Zhao, doctoraat, een professor in de scheikunde afdeling van de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Hun werk laat zien hoe deze structuren, zoals polymeerkristallen bollen, kan eenvoudig worden gevormd door chemicaliën in een oplossing te mengen, in plaats van hun groei fysiek te manipuleren.

"De meeste kristallen groeien in een regelmatig patroon, als je aan sneeuwvlokken denkt, er is een translatiesymmetrie die de eenheidscel leidt die zich door de kristallijne vlok herhaalt. Wat we hebben ontdekt is een manier om de macromoleculaire structuur chemisch te manipuleren, zodat deze translatiesymmetrie wordt verbroken wanneer het molecuul kristalliseert, " zei Li. "Dit betekent dat we de algehele vorm van het kristal kunnen bepalen terwijl het zich vormt - wat een zeer opwindende ontwikkeling is, zowel vanwege de wetenschappelijke betekenis als de implicaties die het zou kunnen hebben voor de massaproductie van gerichte therapieën."

De techniek die Li gebruikt om wat normaal een vlokachtig kristal zou zijn, te dwingen zichzelf in een bol te trekken, bouwt voort op zijn eerdere werk met polymeren die eruitzien als borstels en polymeerkristallen gevormd uit emulsiedruppels. Door deze plooibare "flessenborstel"-polymeren op te nemen als het structurele systeem van het kristal, stelt Li in staat zijn groei vorm te geven door de "borstelharen" van de borstel aan te passen.

"Een flessenborstelpolymeer heeft voeringharen rond een ruggengraat, wat we ontdekten is dat we die ruggengraat kunnen laten buigen bij kristallisatie door borstelharen aan één kant ervan te pakken, "Zei Li. "Dit bepaalt het patroon dat wordt herhaald als het kristal groeit - dus in plaats van plat te worden, buigt het driedimensionaal om een ​​bol te vormen."

Dit betekent dat de hoeveelheid borstelharen in de oplossing bepaalt hoeveel de ruggengraat van de flessenborstel buigt en dus de vorm en grootte van de kristallen bol.

Li's team rapporteert ook over hoe de vorming van het kristal te pauzeren, gaten in de bol achterlaten die nuttig kunnen zijn voor het inbrengen van een medicinale lading tijdens het productieproces. Eenmaal gevuld, het kan worden gesloten met op maat gemaakte polymeren om het naar zijn doel in het lichaam te leiden.

"We werken al een tijdje naar deze prestatie toe, " zei Li. "Deze sferische kristallografie manifesteert zich in robuuste structuren die we in de natuur zien, van eierschalen tot viruscapsiden, dus we geloven dat het de ideale vorm is om de ontberingen van het toedienen van medicatie in het lichaam te overleven. In staat zijn om de eigenschappen van het kristal te beheersen terwijl het zich vormt, is een belangrijke stap in de richting van het realiseren van deze toepassing."