Chemici hebben een nanomateriaal ontwikkeld dat ze op een controleerbare manier kunnen activeren tot vormverschuiving - van platte platen naar buizen en weer terug naar platen. De Tijdschrift van de American Chemical Society een beschrijving van het nanomateriaal gepubliceerd, die werd ontwikkeld aan de Emory University en potentieel biedt voor een reeks biomedische toepassingen, van medicijnafgifte met gecontroleerde afgifte tot tissue engineering.

Het nanomateriaal, die in bladvorm 10 is, 000 keer dunner dan de breedte van een mensenhaar, is gemaakt van synthetisch collageen. Natuurlijk voorkomend collageen is het meest voorkomende eiwit bij mensen, waardoor het nieuwe materiaal intrinsiek biocompatibel wordt.

"Niemand heeft eerder collageen gemaakt met de vormveranderende eigenschappen van ons nanomateriaal, " zegt Vincent Conticello, senior auteur van de bevinding en Emory hoogleraar biomoleculaire chemie. "We kunnen het omzetten van platen naar buizen en terug door simpelweg de pH te variëren, of zuurconcentratie, in zijn omgeving."

Het Emory Office of Technology Transfer heeft een voorlopig patent aangevraagd voor het nanomateriaal.

De eerste auteurs van de bevinding zijn Andrea Merg, een voormalig postdoctoraal fellow in het Conticello-lab die nu aan de University of California Merced is, en Gavin Touponse, die het werk deed als Emory-student en nu medicijnen studeert aan Stanford. Het werk was een samenwerking tussen Emory en wetenschappers van het Argonne National Laboratory, het Paul Scherrer Instituut in Villigen, Zwitserland, en het Centrum voor Cellulaire Beeldvorming en NanoAnalytics aan de Universiteit van Basel.

Collageen is het belangrijkste structurele eiwit in het bindweefsel van het lichaam, zoals kraakbeen, botten, pezen, banden en huid. Het is ook overvloedig aanwezig in bloedvaten, het lef, spieren en in andere delen van het lichaam.

Collageen afkomstig van andere zoogdieren, zoals varkens, wordt soms gebruikt voor wondgenezing en andere medische toepassingen bij mensen.

Het laboratorium van Conticello is een van de slechts enkele tientallen over de hele wereld die zich richten op de ontwikkeling van synthetisch collageen dat geschikt is voor toepassingen in de medische biologie en andere complexe technologieën. Dergelijke synthetische "designer"-biomaterialen kunnen worden gecontroleerd op manieren die natuurlijk collageen niet kan.

"Al 30 jaar geleden, werd het mogelijk om de volgorde van collageen te controleren, ", zegt Conticello. "Het veld is echt op stoom gekomen, echter, gedurende de afgelopen 15 jaar als gevolg van de vooruitgang in kristallografie en elektronenmicroscopie, waardoor we structuren op nanoschaal beter kunnen analyseren."

De ontwikkeling van het nieuwe vormveranderende nanomateriaal bij Emory was "een toevallig ongeval, "zegt Conticello. "Er zat een element van geluk in en een element van design."

Het collageeneiwit is samengesteld uit een drievoudige spiraal van vezels die als een driestrengs touw om elkaar heen wikkelen. De strengen zijn niet flexibel, ze zijn zo stijf als potloden, en ze pakken stevig samen in een kristallijne reeks.

Het Conticello-lab werkt al tien jaar met collageenvellen die het heeft ontwikkeld. "Een blad is één groot, tweedimensionaal kristal, maar door de manier waarop de peptiden zich verpakken, is het net een hele hoop potloden die bij elkaar zijn gebundeld, " legt Conticello uit. "De stift van de helft van de potloden in de bundel wijst naar boven en de andere helft met het uiteinde van de gum naar boven."

Conticello wilde proberen de collageenvellen te verfijnen, zodat elke zijde beperkt zou zijn tot één functionaliteit. Om de potloodanalogie verder te brengen, één oppervlak van het vel zou alle loden punten zijn en het andere oppervlak zou allemaal gummen zijn. Het uiteindelijke doel was om collageenvellen te ontwikkelen die kunnen worden geïntegreerd met een medisch hulpmiddel door het ene oppervlak compatibel te maken met het apparaat en het andere oppervlak compatibel te maken met functionele eiwitten in het lichaam.

Toen de onderzoekers deze afzonderlijke soorten oppervlakken construeerden tot enkele collageenvellen, echter, ze waren verrast toen ze hoorden dat de vellen daardoor opkrulden als rollen. Vervolgens ontdekten ze dat de vormveranderende overgang omkeerbaar was - ze konden bepalen of een vel plat of gescrolld was door simpelweg de pH van de oplossing waarin het zich bevond te veranderen. Ze toonden ook aan dat ze de vellen konden afstemmen op vormverandering bij bepaalde pH-niveaus op een manier die door ontwerp op moleculair niveau kan worden gecontroleerd.

"Het is bijzonder interessant dat de toestand waarrond de overgang plaatsvindt een fysiologische toestand is, "zegt Conticello. "Dat opent de mogelijkheid om een ​​manier te vinden om een ​​geneesmiddel onder gecontroleerde omstandigheden in een collageenbuis te laden, laboratorium omstandigheden. De collageenbuis zou dan kunnen worden afgestemd om de medicijnmoleculen die het bevat te ontvouwen en vrij te geven nadat het de pH-omgeving van een menselijke cel is binnengegaan."