Gels zijn materialen die aanwezig zijn in veel alledaagse producten zoals shampoos, zonnebrandmiddelen en voedselgelatine onder vele anderen. Ze worden gevormd door mengsels waarin grote hoeveelheden vloeistof, meestal water, zijn opgesloten in een flexibel netwerk van polymeerketens of colloïdale deeltjes. Onder de verschillende soorten gels, allemaal met verschillende eigenschappen en toepassingen, nanogels zijn verknoopte polymeerdeeltjes ter grootte van een micrometer die macromoleculen kunnen dragen of in hun netwerkstructuur kunnen opnemen. Dit pand, gekoppeld aan hun 'zachte' karakter en het vermogen om stimuli-responsieve kenmerken te introduceren, betekent dat ze veel aantrekkelijke toepassingen hebben, ook in de farmacie, in het bijzonder medicijnafgifte. Een nieuwe studie gepubliceerd in Nanoscale door een internationaal team van wetenschappers van de Queen Mary University of London en het Institut Laue-Langiven biedt belangrijke ontbrekende informatie over het gedrag van nanogels op grensvlakken, en kan leiden tot een patiëntvriendelijkere en gebruiksvriendelijkere route voor het toedienen van geneesmiddelen dan de huidige methoden.

Nanogels op basis van NIPAM (N-isopropylacrylamide) worden beschouwd als 'slimme' of 'schakelbare' materialen vanwege het feit dat ze een faseovergang ondergaan bij een kritische temperatuur dichtbij die van de fysiologische temperatuur - de normale menselijke temperatuur van 37° C. Dit betekent dat ze het potentieel hebben als een intelligent vehikel voor medicijnafgifte waarbij de afgifte van een actief middel of medicijn kan worden geactiveerd door veranderingen in temperatuur. Dit kan worden gebruikt door eenvoudig contact, bijvoorbeeld, in transdermale toedieningssystemen via onze huid. De ontwikkeling van dergelijke systemen op basis van polymeren vereist een beter begrip van de complexe dynamische structuur van dergelijke nanomaterialen en momenteel is er een gebrek aan experimentele gegevens over hoe deze materialen zich daadwerkelijk gedragen op grensvlakken.

Neutronen zijn het ideale hulpmiddel om de microscopische structuur van nanogels te onderzoeken, en helpt zo te begrijpen hoe hun eigenschappen kunnen worden gecontroleerd. Vooral, neutronenreflectometrie is de techniek bij uitstek voor de studie van oppervlakken en grensvlakken. Als zodanig, de ILL-reflectometer FIGARO werd gekozen als het belangrijkste experimentele platform voor deze studie.

Het team van QMUL–ILL gebruikte op NIPAM gebaseerde nanogels die waren gesynthetiseerd met verschillende percentages MBA (N, N′-methyleenbisacrylamide) als crosslinker in het bereik van 10-30%, en gekarakteriseerd ze bij menselijke fysiologische temperatuur. Gedetailleerde structurele studies van deze systemen op een schaal van moleculaire lengte zijn nog niet eerder geprobeerd.

In dit werk, er werd aangetoond dat er een grote conformationele verandering voor de nanogels optreedt op het grensvlak tussen lucht en water. Het drielagenmodel blijkt deze systemen aan de oppervlakte te beschrijven; een eerste dicht opeengepakte ingeklapte laag in contact met lucht, een tweede laag van gesolvateerd polymeer en een derde laag van diffuse polymeerketens die zich uitstrekken in de bulkoplossing. Deze studie levert ook het eerste experimentele bewijs van structurele veranderingen van nanogels als functie van de mate van verknoping aan het lucht/water-grensvlak.

Naarmate het percentage crosslinker in de nanogels werd verhoogd, stijvere matrices werden verkregen en de hoeveelheid geadsorbeerde nanogels nam toe. Het niet-evenwichtskarakter van deze systemen betekent dat het niet mogelijk is om een ​​normale oppervlaktespanningsanalyse toe te passen om de hoeveelheid aan een grensvlak te schatten. In plaats daarvan verschaffen neutronenreflectiviteitsmetingen met isotopencontrastvariatie een gevoelig middel om de geadsorbeerde hoeveelheid te bepalen. Het maakt het ook mogelijk om de veranderingen in de volumefractie van nanogels op het grensvlak met de tijd te volgen naarmate meer en meer materiaal het grensvlak bereikte. De techniek benadrukt ook veranderingen in conformatie, wat belangrijk is bij het relateren van de structuur aan functie voor deze klasse materialen. Omdat neutroneninteracties op een onregelmatige manier variëren met atoomnummers (d.w.z. verschillende isotopen), de techniek maakt het mogelijk om verschillende aspecten van de structuur te benadrukken met behulp van isotrope substitutie. De analyse van metingen die zijn vastgelegd in verschillende isotopencontrasten leidt tot resolutie van complexe structuren.

FIGARO is een neutronenreflectometer op de ILL die is geoptimaliseerd voor metingen aan vrije vloeistofoppervlakken. Het is een veelzijdig instrument, die in de zes jaar sinds de ingebruikname al meer dan 70 peer-reviewed publicaties heeft opgeleverd. Het heeft een configuratie met hoge intensiteit voor dynamische metingen, aangezien materialen zich op interfaces verzamelen, waarvan in dit onderzoek gebruik is gemaakt, evenals de mogelijkheid om gegevens over een breed dynamisch bereik vast te leggen die nodig zijn om diffuse grensvlakstructuren op te lossen.

Dr Richard Campbell, de eerste verantwoordelijke wetenschapper van het IBL op het FIGARO-instrument, zei:"Oppervlaktespanningsmetingen zijn het meest gevoelig voor het materiaal dat direct aan het luchtoppervlak is geassembleerd, terwijl het doordringende vermogen van neutronenreflectiviteit resulteert in gevoeligheid voor meer diffuse structuren. Deze structurele studie was mogelijk vanwege het vermogen om snelle metingen van de dynamische grensvlakassemblage evenals meer gedetailleerde metingen om toegang te krijgen tot de diffuse structuren die aanwezig zijn in de nanogels met behulp van een geoptimaliseerde configuratie met hoge intensiteit van FIGARO."

De neutronenreflectiviteit en volumefractieprofielen zijn te zien in de figuur. Drie verschillende gebieden van de oppervlaktestructuur met betrekking tot de diepte worden getoond. Er is een eerste laag in contact met de lucht die vrij dicht is met een volumefractie van ongeveer 60%, gevolgd door twee meer geleidelijk verspreidende lagen. interessant, het watergehalte in de eerste laag neemt toe met de hoeveelheid MBA - dit kan worden toegeschreven aan een vermindering van het vermogen om de conformatie te veranderen (en dus water af te stoten uit het polymeernetwerk) van de gels met een hogere mate van verknoping.

De structurele gegevens suggereren ook een uitgebreide herschikking van de conformatie van de nanogeldeeltjes aan het grensvlak tijdens het adsorptieproces, resulterend in structurele vervorming - de mate van vervorming neemt af met een toenemend percentage cross-linker. Hoewel de verschillen in conformaties tussen de bulk en de vloeistof / vloeistof-interface voor op NIPAM gebaseerde microgels eerder zijn verondersteld, deze studie is de eerste die experimenteel ondersteunend bewijs levert.

Dr. Ali Zarbakhsh, van QMUL's School of Biological and Chemical Sciences zei:"De gepresenteerde gegevens bieden belangrijke ontbrekende informatie over het gedrag van geldeeltjes op grensvlakken. Wij geloven dat ze kunnen leiden tot het bereiken van de rationele, slim ontwerpen van nieuwe materialen voor specifieke toepassingen. Ons onderzoek, gecombineerd met het inzicht verkregen uit aanvullende studies over verwante systemen in de toekomst, kan leiden tot een veelbelovend platform dat de kenmerken heeft van een patiëntvriendelijkere en gebruiksvriendelijkere route voor het toedienen van geneesmiddelen dan de huidige alternatieven."