Elektrostatisk kraft tager ansvaret i bioinspirerede polymerer

Forskere ved University of Illinois og University of Massachusetts, Amherst har taget de første skridt mod at få kontrol over selvsamlingen af ​​syntetiske materialer på samme måde som biologi danner naturlige polymerer. Dette fremskridt kan vise sig nyttigt til at designe nye bioinspirerede, smarte materialer til anvendelser lige fra lægemiddellevering til sensing til afhjælpning af miljøforurenende stoffer.

Proteiner, som er naturlige polymerer, bruge aminosyrebyggesten til at binde lange molekylære kæder sammen. Den specifikke placering af disse byggeklodser, kaldet monomerer, inden for disse kæder skaber sekvenser, der dikterer en polymers struktur og funktion. I journalen Naturkommunikation , forskerne beskriver, hvordan man kan bruge konceptet med monomersekventering til at kontrollere polymerstruktur og funktion ved at drage fordel af en egenskab, der findes i både naturlige og syntetiske polymerer - elektrostatisk ladning.

"Proteiner koder for information gennem en præcis sekvens af monomerer. denne præcise kontrol over sekvensen er meget sværere at kontrollere i syntetiske polymerer, så der har været en grænse for kvaliteten og mængden af ​​information, der kan lagres, " sagde Charles Sing, en professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Illinois og en studie medforfatter. "I stedet, vi kan kontrollere ladningsplaceringen langs de syntetiske polymerkæder for at drive selvsamlingsprocesser."

"Vores undersøgelse fokuserer på en klasse af polymerer, kaldet coacervater, der adskilles som olie og vand og danner et gel-lignende stof, " sagde Sarah Perry, en studie medforfatter og University of Massachusetts, Amherst kemiingeniør professor, samt en alumna fra Illinois.

Gennem en række eksperimenter og computersimuleringer, forskerne fandt ud af, at egenskaberne af de resulterende ladede geler kan indstilles ved at ændre rækkefølgen af ​​ladninger langs polymerkæden.

"Producenter bruger almindeligvis coacervater i kosmetik og fødevarer til at indkapsle smagsstoffer og tilsætningsstoffer, og som en måde at kontrollere 'fornemmelsen' af produktet, " sagde Sing. "Udfordringen har været, om de skal ændre teksturen eller tykkelsen, de ville være nødt til at ændre det materiale, der blev brugt."

Sing og Perry demonstrerer, at de kan omarrangere strukturen af ​​polymerkæderne ved at justere deres ladning for at konstruere de ønskede egenskaber. "Det er sådan, biologi gør livets endeløse mangfoldighed med kun et lille antal molekylære byggesten, " sagde Perry. "Vi forestiller os at bringe dette bioinspirationskoncept fuld cirkel ved at bruge coacervater i biomedicinske og miljømæssige applikationer."

Resultaterne af denne forskning åbner et enormt antal muligheder for at udvide mangfoldigheden af ​​anvendte polymerer og omfanget af applikationer, sagde forskerne. "I øjeblikket, vi arbejder med materialer på makroskalaen - ting som vi kan se og røre ved, " sagde Sing. "Vi håber at udvide dette koncept til nanoteknologiens område, såvel."