Een nieuwe coatingtechnologie ontwikkeld aan het MIT, gecombineerd met een nieuwe technologie voor het vervaardigen van nanodeeltjes, ontwikkeld aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, kan wetenschappers een manier bieden om snel op maat gemaakte nanodeeltjes in massa te produceren die speciaal zijn gecoat voor specifieke toepassingen, inclusief medicijnen en elektronica.

Met behulp van deze nieuwe combinatie van de twee bestaande technologieën, wetenschappers kunnen zeer kleine, uniforme deeltjes met op maat gemaakte materiaallagen die medicijnen of andere moleculen kunnen dragen om met hun omgeving in wisselwerking te staan, of zelfs gericht op specifieke soorten cellen.

Het creëren van zeer reproduceerbare batches van nauwkeurig ontworpen, gecoate nanodeeltjes is belangrijk voor de veilige productie van medicijnen en het verkrijgen van wettelijke goedkeuring, zegt Paula Hammond, de David H. Koch Professor in Chemical Engineering aan het MIT en een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Iedereen is enthousiast over het potentieel van nanogeneeskunde, en er zijn enkele systemen die op de markt komen, maar mensen maken zich ook zorgen over hoe reproduceerbaar elke batch is. Dat is vooral van cruciaal belang voor toepassingen zoals kankertherapieën, "zegt Hammond. "Gelukkig, we hebben twee technologieën gecombineerd die voorop lopen bij het aanpakken van deze problemen en die veelbelovend zijn voor de toekomst van nanofabricage."

Hammond en Joseph DeSimone, de Chancellor's Eminent Professor of Chemistry aan de UNC en de William R. Kenan Jr. Distinguished Professor of Chemical Engineering aan de North Carolina State University, zijn de senior auteurs van een paper die de technologie beschrijft in de online editie van 1 juli van Geavanceerde materialen . Hoofdauteur van het artikel is Stephen Morton, een afgestudeerde student in het laboratorium van Hammond.

'Een zeer veelzijdig platform'

Het laboratorium van Hammond ontwikkelde eerder een laag-voor-laag depositietechniek voor het coaten van nanodeeltjesoppervlakken met afwisselende lagen medicijnen, RNA, eiwitten of andere moleculen van belang. Die coatings kunnen ook worden ontworpen om te voorkomen dat nanodeeltjes worden vernietigd door het immuunsysteem van het lichaam voordat ze hun beoogde doelen bereiken.

"Het is een zeer veelzijdig platform voor het opnemen van therapieën, ' zegt Hammond.

Echter, de laag-voor-laag applicatieprocessen die tegenwoordig gewoonlijk worden gebruikt om nanodeeltjes te coaten, duren te lang om bruikbaar te zijn voor snelle, grootschalige fabricage:voor elke laag, de deeltjes moeten worden gedrenkt in een oplossing van het coatingmateriaal, vervolgens gecentrifugeerd in een centrifuge om overtollige coating te verwijderen. Het aanbrengen van elke laag duurt ongeveer een uur.

In de nieuwe studie de MIT-onderzoekers gebruikten een op spray gebaseerde techniek, waardoor ze elke laag in slechts enkele seconden kunnen aanbrengen. Deze technologie werd eerder ontwikkeld in het Hammond-lab en wordt nu gecommercialiseerd door Svaya Nanotechnologies.

Hammond combineerde deze aanpak met een technologie voor het vervaardigen van nanodeeltjes, bekend als het PRINT-platform (Particle Replication In Non-wetting Templates). die werd ontwikkeld in het DeSimone-lab van UNC en nu wordt gecommercialiseerd door Liquidia Technologies. Liquidia richt zich op het gebruik van het PRINT-platform om nieuwe op nanotechnologie gebaseerde gezondheidsproducten te maken, vaccins en therapieën.

Het PRINT-platform is een continue roll-to-roll-technologie voor het vormen van deeltjes die het ontwerp en de massaproductie van nauwkeurig ontworpen deeltjes van gecontroleerde grootte mogelijk maakt, vorm en chemische samenstelling. Om deeltjes te maken zoals gebruikt in deze studie, een mengsel van polymeren en medicijnmoleculen (of andere nuttige lading) wordt aangebracht op een grote filmrol die bestaat uit een mal van nanoformaat met kenmerken van de gewenste vorm en grootte. Het mengsel vult elk kenmerk van de mal en stolt om miljarden nanodeeltjes te creëren. Met een andere rol plakfolie worden deeltjes uit de mal verwijderd, die vervolgens kunnen worden besproeid met lagen gespecialiseerde coatings met behulp van Hammond's nieuwe technologie en gescheiden in afzonderlijke deeltjes.

"Het idee was om deze twee processen op industriële schaal samen te voegen en een geavanceerde, prachtig gecoat nanodeeltje, zoals bakkerijen je favoriete donut glazuren op de lopende band, ' zegt Hammond.

"De combinatie van PRINT en spray laag voor laag biedt een veelzijdig platform voor het snel wijzigen van de oppervlaktechemie van deeltjes, " zegt Frank Caruso, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Melbourne die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam. "Deze aanpak is ook veelbelovend voor een hoge doorvoer bij de ontwikkeling van systemen voor de levering van deeltjes voor toepassingen in de nanogeneeskunde."

Meerdere functies

Dit nieuwe proces belooft grote hoeveelheden gecoate nanodeeltjes op te leveren, terwijl de productietijd drastisch wordt verkort. Het maakt ook het ontwerp van een grote verscheidenheid aan materialen op maat mogelijk, zowel in de nanodeeltjeskern als in de coating, voor toepassingen zoals elektronica, medicijnafgifte, vaccins, wondgenezing of beeldvorming, zegt Morton.

"Zowel de PRINT- als de laag-voor-laag-technologieën maken de integratie van veel verschillende materialen mogelijk die unieke eigenschappen hebben om systemen te maken met meerdere ingebouwde functies, " hij zegt.

Om het potentiële nut van deze techniek aan te tonen, de onderzoekers creëerden deeltjes bedekt met hyaluronzuur, waarvan is aangetoond dat het zich richt op eiwitten, genaamd CD44-receptoren, die in hoge concentraties worden aangetroffen op agressieve kankercellen. Ze ontdekten dat borstkankercellen die in het laboratorium werden gekweekt, deeltjes die waren bedekt met hyaluronzuur veel efficiënter opslokken dan deeltjes zonder de coating of met coatings die geen hyaluronzuur bevatten.

Bij vervolgonderzoeken de onderzoekers zijn van plan deeltjes te ontwerpen die kankermedicijnen en kankerbestrijdende coatings bevatten om te zien of ze tumoren effectief kunnen verkleinen. Sommige van die deeltjes kunnen combinaties bevatten, zoals twee verschillende chemotherapiemedicijnen, of een medicijn gecombineerd met RNA-moleculen die zich richten op kankergenen. Deze combinaties kunnen synergetisch samenwerken om kankercellen selectief te ontwapenen en te doden.

Het artikel is getiteld "Scalable Manufacture of Built-to-Order Nanomedicine:Spray-Assisted Layer-by-Layer Functionalization of PRINT Nanoparticles."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.