Een internationaal team van 's werelds grootste röntgenlaser Europese XFEL in Schenefeld bij Hamburg heeft de eigenschappen van een belangrijke nanogel die in de geneeskunde vaak wordt gebruikt om medicijnen gericht en gecontroleerd vrij te geven op de gewenste plek in het lichaam van een patiënt onder de loep genomen. Het team heeft de resultaten nu gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

De onderzoekers onderzochten de temperatuurgeïnduceerde zwelling en instorting van het polymeer poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAm) bij European XFEL in Schenefeld bij Hamburg. Vanwege de dynamische veranderingen wordt PNIPAm vaak gebruikt in de geneeskunde, b.v. voor medicijnafgifte, weefselmanipulatie of sensoriek.

PNIPAm wordt doorgaans opgelost in water. Boven een bepaalde temperatuur, de zogenaamde lagere kritische oplossingstemperatuur (LCST), die rond de 32 °C ligt, verandert het van een hydrofiele, waterminnende toestand naar een hydrofobe, waterafstotende toestand. Als gevolg hiervan veranderen nanogeldeeltjes, zoals onderzocht door Lehmkühler en collega's, snel van grootte boven die temperatuur door water uit te stoten.

Deze functie is nuttig voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de gecontroleerde afgifte van medicijnen in het lichaam van een patiënt, als modelsysteem voor eiwitten en bij weefselmanipulatie, de kweek van organisch weefsel voor medische toepassingen, of als biocompatibele temperatuursensoren.

Het is tot nu toe echter erg moeilijk geweest om deze snelle faseovergangen experimenteel te bekijken en ze daarom voor verschillende toepassingen te optimaliseren. Daarom is de precieze karakterisering van de kinetiek van de veranderingen van het PNIPAm-polymeer met temperatuur nog steeds een levendig onderzoeksonderwerp.

De snelle opeenvolging van röntgenpulsen van de Europese XFEL heeft onderzoekers nu in staat gesteld de snelle, temperatuurafhankelijke veranderingen in de PNIPAm-nanogel te onderzoeken met behulp van een techniek genaamd X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS).

"Vanwege de hoge herhalingssnelheid van de Europese XFEL kunnen we deze metingen uitvoeren met een tijdresolutie die hoog genoeg is om de structuur en beweging van de nanogels te volgen", zegt Johannes Möller, Instrument Scientist bij het Materials Imaging and Dynamics (MID) instrument van Europese XFEL. De onderzoekers bestudeerden deeltjes van ongeveer 100 nanometer groot. De röntgenpulsen werden zowel gebruikt om de nanodeeltjes te verwarmen als om hun structurele veranderingen te meten via hun dynamiek, dat wil zeggen hun beweging in het omringende water.

"Met behulp van de gegevens verkregen bij de Europese XFEL hebben we nu een beter inzicht kunnen krijgen in het zwellen en inzakken van het polymeer", zegt Felix Lehmkühler, een van de leiders van het team.

"In tegenstelling tot eerdere onderzoeken, die beperkt waren tot indirecte metingen van de kinetiek van zwelling of instorting, ontdekten we dat de nanogel aanzienlijk sneller krimpt in het bereik van 100 nanoseconden, maar dat het twee tot drie ordes van grootte langer duurt om op te zwellen", legt hij uit. Lehmkuhler. De resultaten kunnen onderzoekers helpen de eigenschappen van het polymeer voor verschillende toepassingen verder te begrijpen en te verbeteren, zoals de ontwikkeling van efficiëntere systemen voor medicijnafgifte.

Meer informatie: Francesco Dallari et al, Real-time zwelling-instortingskinetiek van nanogels aangedreven door XFEL-pulsen, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adm7876

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door European XFEL GmbH