Flydende krystaller selvregulerer frigivelsen af ​​lægemidler i præcis, at gentage doser med et enkelt skub fra deres omgivelser

Flydende krystaller - ligesom dem, der danner disse ord på computerskærme - kunne indstilles til at bekæmpe bakterier eller ødelægge kompromitteret elektronik ved at reagere på subtile ændringer i deres miljø med små, målte doser af væske eller faste stoffer.

Forskere ved University of Wisconsin – Madison har udviklet flydende krystalfilm og dråber, der kan rumme en bred vifte af "mikrolad", indtil deres frigivelse hæmmes af kropsvarme eller en lysstråle eller endda kølvandet på svømmende mikroorganismer.

Tricket er at udnytte den måde, flydende krystaller kan organiseres på, som UW - Madison kemisk og biologisk ingeniørprofessor Nick Abbott og medlemmer af hans laboratorium beskriver i dag i tidsskriftet Natur .

"I en typisk væske, som vand, molekylerne er alle sammenblandet. En flydende krystal er også en væske, men molekylerne står i kø. Og de står i kø over meget lange afstande, så længe 100, 000 molekylære længder, "Abbott siger." Det faktum, at de står sådan, giver anledning til mekaniske egenskaber - det vi kalder elasticitet. Vi manipulerer den elasticitet. "

I en LCD -skærm som en tv -skærm, orienteringen af ​​flydende krystal ændres ved at anvende et elektrisk felt. Forskellige retninger ændrer farver og former på skærmen. Abbotts innovation drager fordel af lignende følsomme flydende krystalfilm.

"Inde i filmen, Vi har lagt små dråber, der indeholder et aktivt middel. De er cirka en mikrometer eller deromkring i størrelse, lidt vandbassin, "siger han." Du kan fange disse dråber inde i filmen af ​​flydende krystal, og som reaktion på stimuli, vi kan skubbe dem ud. "

Forskerne suspenderede bittesmå doser af en antibakteriel forbindelse i en flydende krystalfilm, mens krystalets molekyler var opstillet pænt i en retning i forhold til filmens overflade og derefter nedsænkede filmen i vand med nogle bakterier.

"Bakterier bevæger sig typisk med en flagella, en slags hale de roterer, der driver dem gennem væske, "siger Abbott." Det, vi kunne vise, er, at hvis der kommer bakterier ned til filmens overflade, bevægelsen af ​​deres flageller sender en forskydningsspænding på filmen. "

Spændingen forstyrrer flydende krystal orientering. Da dets molekyler svinger ud af justering og omorientering, de tillader klatter af mikrolasten at glide ud af filmen for at blande sig med vandet. Ændringen i justeringen af ​​den flydende krystal genererer også et optisk signal, rapporterer bakteriens ankomst.

"Tilstedeværelsen af ​​bakterierne frigiver det antibakterielle middel. Når agenten dræber bakterierne, bakterierne holder op med at bevæge sig, så frigivelsen stopper, "siger Abbott." Det er det, der er interessant. Jeg kender ikke til et andet materiale, der har denne egenskab, denne form for intern kontrol iboende i dens struktur. "

Andre metoder til frigivelse af små mængder medicin eller kemikalier har en tendens til at kræve kontrol fra elektronik og bevægelige dele i små ventiler, eller de frigiver al deres last i et enkelt skud eller upræcise mængder - i modsætning til flydende krystal, som kan gentage levering i præcise mængder.

"En almindelig måde at håndtere bakteriel kontaminering på er blot at udvaskning af bakterielle midler i en opløsning eller på en overflade, men du udvask dem, uanset om bakterierne er der eller ej, "siger Abbott, hvis arbejde støttes af U.S. Army Research Office og National Science Foundation. "Dette materiale kan sidde i dvale i meget lang tid, ikke frigive noget. Det er kun i nærvær af et fingerpeg fra dets miljø - som bevægelse af levende bakterier - at det ville frigive sit middel. "

Abbott-og postdoktor Young-Ki Kim, nyuddannede studerende Xiaoguang Wang og Emre Bukusoglu, og bachelor Pranati Mondkar-viste også, at varmen fra overfladen af ​​en finger kan få flydende krystal til at frigive mikrolast, og Abbott siger, at filmene eller dråberne kan dopes med molekyler, der gør dem lysfølsomme eller reagerer på en elektrisk ladning som en LCD-skærm.

Der er en anden praktisk funktion, filmene deler med flydende krystaldisplays.

"Det kan fortælle dig, hvornår mikrolasten frigives, Abbott siger, "fordi der også genereres et optisk signal, når flydende krystal er omorienteret. Det er selvregulerende og selvrapporterende."

Filmene kunne bruge dette indbyggede signal til at annoncere, hvor mange gange de har frigivet last-eller hvornår de er løbet tør.

Mens Natur undersøgelse brugte en antibakteriel applikation som demonstration, Abbott mener, at flydende krystaller kan være nyttige i alle slags applikationer - fra at udpille medicin til at lindre stresset i et indsnævret blodkar, til frigivelse af ætsende væsker til selvdestruktion af kredsløbene på en kompromitteret computer.