(PhysOrg.com) -- Natuurkundigen, scheikundigen en ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania hebben een nieuwe methode aangetoond voor de gecontroleerde vorming van fragmentarische deeltjes, opgeladen, zelf-assemblerende moleculen die op een dag kunnen dienen als voertuigen voor het afleveren van medicijnen om ziekten te bestrijden en misschien worden gebruikt in kleine batterijen die lading opslaan en afgeven.

Onderzoekers hebben aangetoond dat de positieve elektrische ladingen van calciumionen - net als het calcium in tanden en botten - bruggen kunnen vormen tussen negatief geladen polymeren die elkaar normaal zouden afstoten. de polymeren, vergelijkbaar met de lipiden die de membranen maken die levende cellen omringen, hebben zowel een waterminnend deel gekoppeld aan een waterafstotend deel. Op de oppervlakken van deze polymeerzakken ter grootte van een cel, de calciumionen creëren calciumrijke eilanden of plekken bovenop negatief geladen polymeer. Koperionen werken ook, en de pleisters kunnen worden gemaakt om samen te smelten en de helft van het deeltje te bedekken. Deze gepolariseerde structuur is de basisopstelling die nodig is voor het opzetten, bijvoorbeeld, de twee elektroden van een microscopisch kleine batterij. Ze zouden op een dag ook kunnen worden gefunctionaliseerd in docking-sites om de gerichte afgifte van met medicijnen beladen deeltjes aan cellen te verbeteren.

Hoewel het concept eenvoudig lijkt, die tegengestelde ladingen aantrekken, het creëren en controleren van patches op een klein deeltje was een uitdaging. Wetenschappers zoals Dennis E. Discher, hoofdonderzoeker van de studie en een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan Penn, ontwerpen materialen op nanoschaal omdat toekomstige technologieën in toenemende mate afhankelijk zullen zijn van structuren met verschillende en gecontroleerde oppervlakken. Artsen, bijvoorbeeld, zal medische therapieën verbeteren door medicijnen in de biotechnologische polymeerzakken te verpakken, of door kleine biomedische sensoren te maken. Voor de productie en opslag van groene energie zijn ook structuren nodig waarvan de schalen niet langer in inches worden gemeten, maar door micrometers en nanometers.

Bij de samenwerking waren docenten van Penn's School of Engineering and Applied Science betrokken, de School of Medicine en de School of Arts and Sciences, en gedemonstreerd, specifieker, de selectieve binding van multivalente kationische liganden in een mengsel van zowel polyanionische als niet-ionische amfifielen die allemaal samen assembleren in ofwel fragmentarische zakken die blaasjes worden genoemd of moleculaire cilinders die wormachtige micellen worden genoemd. Soortgelijke principes zijn onderzocht met lipiden op het gebied van membraanbiofysica, omdat calcium de sleutel is tot veel cellulaire signaleringsprocessen. De truc is dat de aantrekkingskracht van tegengestelde ladingen moet worden aangepast om een ​​evenwicht te vinden met de grote entropische prijs voor lokalisatie in plekken. Als de attracties te groot zijn, de ionen slaan neer, net als het toevoegen van te veel suiker aan thee of koffie.

Met een beetje zuur of een beetje base, de fragmentarische polymeerblaasjes en cilinders kunnen worden gemaakt met instelbare maten, vormen en afstanden. Assemblies met enkele grote patches worden Janus-assemblies genoemd, genoemd naar de dubbele Romeinse god, en de assemblages gaan over het algemeen jaren mee omdat dit op polymeer gebaseerde structuren zijn.

"De belangrijkste vooruitgang die we in deze studie presenteren, is het beperkte aantal voorwaarden dat nodig is voor zelfassemblage in deze oplossingen, "Zei Discher. "We laten zien dat, naast polymeren, negatief geladen cellipiden die betrokken zijn bij allerlei celsignaleringsprocessen zoals celbeweging en kankermechanica, kan ook domeinen of eilanden maken met calcium."

Het werk is representatief voor nationaal onderzoek naar zachte materie, materialen opgebouwd uit organische moleculen zoals lipiden, peptiden en nucleïnezuren. Een goed ontworpen moleculair systeem kan een breed scala aan nanostructuren en microstructuren produceren, emuleren en uitbreiden wat in de natuur wordt gevonden.

Meer informatie: De studie is gepubliceerd als het omslagartikel in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Bron:University of Pennsylvania (nieuws:web)