Biomedicijnen worden geproduceerd door levende cellen en worden onder meer gebruikt voor de behandeling van kanker en auto-immuunziekten. Een uitdaging is dat de medicijnen erg duur zijn om te produceren, iets wat de wereldwijde toegang beperkt. Nu hebben onderzoekers van Chalmers een materiaal uitgevonden dat elektrische signalen gebruikt om biomoleculen te vangen en vrij te geven. De nieuwe en efficiënte methode kan een grote impact hebben op de ontwikkeling van biomedicijnen en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van elektronische pillen en medicijnimplantaten.

Het nieuwe materiaal is een polymeeroppervlak dat bij een elektrische puls van toestand verandert van het vangen naar het vrijgeven van biomoleculen. Dit heeft verschillende mogelijke toepassingen, waaronder het gebruik als hulpmiddel voor de efficiënte scheiding van een medicijn van de andere biomoleculen die cellen creëren bij de productie van biologische medicijnen. De resultaten van het onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie .

Biomedicijnen zijn erg duur om te produceren vanwege het ontbreken van een efficiënte scheidingstechniek, en nieuwe technieken met een hogere medicijnopbrengst zijn nodig om de productiekosten en uiteindelijk de kosten van de behandeling van patiënten te verlagen.

"Onze polymeeroppervlakken bieden een nieuwe manier om eiwitten te scheiden door elektrische signalen te gebruiken om te bepalen hoe ze aan een oppervlak worden gebonden en vrijgegeven, zonder de structuur van het eiwit te beïnvloeden", zegt Gustav Ferrand-Drake del Castillo, die publiekelijk zijn verdediging verdedigde. doctoraatsthesis in de chemie aan Chalmers en is de hoofdauteur van de studie.

De conventionele scheidingstechniek - chromatografie - bindt biomoleculen stevig aan het oppervlak en er zijn sterke chemicaliën nodig om ze vrij te laten komen, wat leidt tot verliezen en een slechte opbrengst. Veel nieuwe medicijnen zijn zeer gevoelig gebleken voor sterke chemicaliën, wat een groot productieprobleem vormt voor de volgende generatie biomedicijnen. Het lagere verbruik van chemicaliën resulteert in een voordeel voor het milieu, terwijl het feit dat de oppervlakken van het nieuwe materiaal ook meerdere cycli kunnen worden hergebruikt een belangrijke eigenschap is. Het proces kan honderden keren worden herhaald zonder het oppervlak aan te tasten.

Functies in biologische vloeistoffen

Het materiaal functioneert ook in biologische vloeistoffen met een bufferend vermogen, dat wil zeggen vloeistoffen met het vermogen om veranderingen in de pH-waarde tegen te gaan. Deze eigenschap is opmerkelijk omdat het de weg vrijmaakt voor de creatie van een nieuwe techniek voor implantaten en elektronische "pillen" die het medicijn via elektronische activering in het lichaam afgeven.

"Je kunt je een arts voorstellen, of een computerprogramma, die de behoefte aan een nieuwe dosis medicijn bij een patiënt meet, en een op afstand bestuurd signaal dat de afgifte van het medicijn activeert uit het implantaat dat zich in het weefsel of orgaan bevindt waar het nodig is ", zegt Gustav Ferrand-Drake del Castillo.

Lokale, geactiveerde medicijnafgifte is tegenwoordig beschikbaar in de vorm van materialen die hun toestand veranderen in het geval van een verandering in de omringende chemische omgeving. Tabletten van pH-gevoelig materiaal worden bijvoorbeeld geproduceerd waar je de afgifte van een medicijn in het maagdarmkanaal wilt regelen, een omgeving met natuurlijke variaties in pH-waarde. Maar in de meeste lichaamsweefsels zijn er geen veranderingen in de pH-waarde of andere chemische parameters.

"In staat zijn om de afgifte en opname van eiwitten in het lichaam te beheersen met minimale chirurgische ingrepen en zonder naaldinjecties, is volgens ons een unieke en nuttige eigenschap. De ontwikkeling van elektronische implantaten is slechts een van de vele denkbare toepassingen die vele jaren in beslag nemen. de toekomst. Onderzoek dat ons helpt om elektronica op moleculair niveau te koppelen aan biologie is een belangrijk puzzelstukje in die richting", zegt Gustav Ferrand-Drake del Castillo.

Een ander voordeel van de nieuwe methode is dat er geen grote hoeveelheden energie voor nodig zijn. Het lage stroomverbruik is te wijten aan het feit dat de diepte van het polymeer op het oppervlak van de elektrode erg dun is, op nanometerschaal, wat betekent dat het oppervlak onmiddellijk reageert op kleine elektrochemische signalen.

"Elektronica in biologische omgevingen wordt vaak beperkt door de grootte van de batterij en de bewegende mechanische delen. Activering op moleculair niveau vermindert zowel de energiebehoefte als de behoefte aan bewegende delen", zegt Gustav Ferrand-Drake del Castillo.

De doorbraak begon als een proefschrift

Het onderzoek achter de techniek werd uitgevoerd in de periode dat Ferrand-Drake del Castillo een doctoraatsstudent was in het onderzoeksteam van Chalmers professor Andreas Dahlin in de afdeling Toegepaste Oppervlaktechemie. Het project omvatte polymeeroppervlakken die van toestand veranderen tussen neutraal en geladen, afhankelijk van de pH-waarde van de omringende oplossing. De onderzoekers slaagden er vervolgens in om een ​​materiaal te maken dat sterk genoeg was om aan het oppervlak te blijven bij herhaalde elektrische signalen, terwijl het ook dun genoeg was om de pH-waarde daadwerkelijk te veranderen als gevolg van de elektrochemie op het oppervlak.

"Kort daarna ontdekten we dat we de elektrische signalen konden gebruiken om de binding en afgifte van eiwitten en biomoleculen te regelen, en dat het elektrodemateriaal werkt in biologische oplossingen zoals serum en gecentrifugeerd bloed. We geloven en hopen dat onze ontdekkingen van groot belang kunnen zijn voordeel bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen", zegt Andreas Dahlin. + Verder verkennen

Onderzoekers rapporteren betere manier om organische bio-elektronica te creëren