Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en de University of Tokyo hebben een techniek ontwikkeld voor de omkeerbare omzetting van 3-D lipide-vesicles in 2-D ultradunne nanosheets. Zowel de stabiele nanosheets als het omkeerbare 2-D-3-D-conversieproces kunnen verschillende toepassingen vinden in de farmaceutische, bio-engineering, voedsel, en cosmetische wetenschappen.

Een verbazingwekkend aantal recente technologische ontwikkelingen en nieuwe technische toepassingen gaan hand in hand met vooruitgang op het gebied van materiaalwetenschap. Het ontwerpen en manipuleren van materialen op nanoschaal (d.w.z. in de orde van miljardsten van een meter) is een hot topic geworden. Vooral, nanobladen, dit zijn ultradunne 2D-planaire structuren met een oppervlak variërend van enkele micrometers tot millimeters, hebben onlangs veel aandacht getrokken vanwege hun uitstekende mechanische, elektrisch, en optische eigenschappen. Bijvoorbeeld, organische nanosheets hebben een groot potentieel als biomedische of biotechnologische hulpmiddelen, terwijl anorganische nanosheets nuttig kunnen zijn voor energieopslag en oogsten.

Maar hoe zit het met het op een controleerbare en omkeerbare manier van een 2D-nanobladstructuur naar een moleculaire 3D-structuur gaan? Wetenschappers van de Tokyo Tech en de Universiteit van Tokyo hebben onderzoek gedaan naar een dergelijk omkeerbaar 2-D/3-D-conversieproces, gemotiveerd door zijn potentiële toepassingen. In hun studie hebben gepubliceerd in Geavanceerde materialen , ze richtten zich eerst op het omzetten van bolvormige lipidevesicles (belachtige structuren) in 2D-nanobladen door de samenwerking van twee verbindingen:een membraanverstorend zuur peptide genaamd E5 en een kationisch copolymeer genaamd poly(allylamine)-graft-dextran (of PAA-g-Dex, in het kort). Vervolgens probeerden ze de lipide-nanobladen terug te brengen naar hun 3D-blaasjesvorm door specifieke omstandigheden aan te passen, zoals pH, of met behulp van een enzym (Fig. 1), en ontdekte dat de reactie omkeerbaar was.

Dus, door middel van verschillende experimenten, de wetenschappers lichtten de mechanismen en moleculaire interacties toe die deze omkeerbare conversie mogelijk maken. In waterige media, vlakke lipide dubbellagen hebben de neiging onstabiel te zijn omdat sommige van hun hydrofobe (waterafstotende) staarten aan de randen worden blootgesteld, wat leidt tot de vorming van blaasjes, die veel stabieler zijn (Fig. 2). Echter, peptide E5, wanneer gevouwen tot een spiraalvormige structuur met behulp van PAA-g-Dex, kan het membraan van deze blaasjes verstoren om 2D nanosheets te vormen. Dit paar verbindingen combineert tot een riemachtige structuur aan de randen van de nanosheets, in een proces dat essentieel is om ze te stabiliseren. Professor Atsushi Maruyama, die dit onderzoek leidde, legt uit:"In de plaatstructuren die zijn waargenomen in de aanwezigheid van E5 en PAA-g-Dex, de assemblage van E5 en het copolymeer aan de velranden verhindert waarschijnlijk de blootstelling van de hydrofobe randen aan de waterfase, waardoor de nanosheets worden gestabiliseerd." (zie Fig. 3) De vellen kunnen weer worden omgezet in bolvormige blaasjes door de bandachtige structuur te verstoren. Dit kan worden gedaan door, bijvoorbeeld, toevoeging van het natriumzout van poly (vinylsulfonzuur), die de spiraalvorm van E5 verandert.

De experimenten van de wetenschappers lieten zien dat de nanosheet erg stabiel is, flexibel, en dun; dit zijn eigenschappen die waardevol zijn in biomembraanstudies en toepassingen. Bijvoorbeeld, het 2-D-3-D-conversieproces kan worden gebruikt om moleculen in te kapselen, zoals medicijnen, in de blaasjes door ze om te zetten in vellen en vervolgens terug in bollen. "Lipid vesicles worden gebruikt voor zowel basisstudies als praktische toepassingen in farmaceutische, voedsel, en cosmetische wetenschappen. Het vermogen om de vorming van nanosheets en vesicles te beheersen, zal op deze gebieden nuttig zijn, " concludeert prof. Maruyama. Ongetwijfeld het verbeteren van ons vermogen om de nanoscopische wereld te manipuleren zal leiden tot positieve macroscopische veranderingen in ons leven.