Onderzoekers van de Northwestern University werpen een net uit voor nanodeeltjes.

Het team heeft een nieuwe, snelle methode om nanodeeltjes te fabriceren uit een eenvoudige, zelfassemblerend polymeer. De nieuwe methode biedt nieuwe mogelijkheden voor diverse toepassingen, inclusief waterzuivering, diagnostiek en het snel genereren van vaccinformuleringen, die typisch vereisen dat veel verschillende soorten moleculen tegelijkertijd worden opgevangen of afgeleverd.

Met behulp van een polymeernet dat instort in hydrogels op nanoschaal (of nanogels), de methode vangt efficiënt meer dan 95% van de eiwitten op, DNA of medicijnen met kleine moleculen - alleen of in combinaties. Ter vergelijking, laadefficiëntie is typisch tussen 5% en 20% voor andere systemen voor het afleveren van nanodeeltjes.

"We gebruiken een polymeer dat een breed net vormt door een waterige oplossing, " zei Evan A. Scott van Northwestern, die de studie leidde. "Dan laten we het net instorten. Het verzamelt alles in de oplossing, het vangen van therapieën in nanogel-afgiftevehikels met een zeer hoge efficiëntie."

"Het werkt als een visnet, die zich eerst uitspreidt als gevolg van elektrostatische afstoting en vervolgens krimpt bij hydratatie om 'vissen' te vangen, '" voegde Fanfan Du eraan toe, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Scott.

De paper werd vorige week (29 september) gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Scott is de Kay Davis-hoogleraar biomedische technologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Noordwest-professoren Monica Olvera de la Cruz en Vinayak Dravid waren co-auteur van het artikel.

Moleculen gevonden in de natuur, zoals DNA en peptiden, kan zichzelf snel assembleren en organiseren in diverse structuren. Door dit proces na te bootsen met behulp van door mensen gemaakte polymeersystemen, echter, beperkt is gebleven. Eerder ontwikkelde processen voor zelfassemblerende medicijnafgiftesystemen zijn tijdrovend, arbeidsintensief en moeilijk op te schalen. De processen zijn ook vaak hopeloos inefficiënt, culminerend in een klein deel van het medicijn dat daadwerkelijk in het toedieningssysteem terechtkomt.

"Klinische toepassing van zelf-geassembleerde nanodeeltjes is beperkt door problemen met schaalbaarheid en met het laden van grote of meerdere therapieën, vooral eiwitten, " zei Scott. "We presenteren een zeer schaalbaar mechanisme dat vrijwel elk therapeutisch molecuul stabiel kan laden met een hoge efficiëntie."

Scott's team vond succes door een polypropyleensulfon (PPSU) homopolymeer te gebruiken, die zeer goed oplosbaar is in dimethylsulfoxide (DMSO) oplossing, maar vormt elektrostatische en hydrofiele aggregaten in water. De aggregaten zijn amfifiel, waardoor ze in netwerken samenkomen en uiteindelijk in gels instorten.

"Door meer water toe te voegen, stort het netwerk in, leidend tot de vorming van nanogels, " zei Du. "De manier waarop water wordt toegevoegd, beïnvloedt de vorming van de PPSU-keten, die de grootte en structuur van de nanogels verandert."

Atomistische simulaties - uitgevoerd door Baofu Qiao in de Olvera de la Cruz-groep - bevestigden dat de nanostructuren werden gestabiliseerd door zwakke sulfon-sulfonbinding. Met behulp van grofkorrelige simulaties uitgevoerd door de noordwestelijke postdoctorale fellow Trung Dac Nguyen, de onderzoekers observeerden de nanonetstructuren. Dit opent een nieuwe weg voor de assemblage van zachte materialen door middel van sulfon-sulfonbinding.

Naast toepassingen voor het toedienen van medicijnen, de onderzoekers geloven ook dat de nieuwe methode kan worden gebruikt voor waterzuivering. Het netwerk kan instorten om verontreinigingen in het water te verzamelen, zuiver water achterlatend.