Stort overfladeareal giver superkræfter til ultraporøse materialer

Nogle materialer er specielle, ikke for hvad de indeholder, men for hvad de ikke indeholder. Sådan er det med metal-organiske rammer (MOF'er) - ultraporøse strukturer, der udvikles til en række fremtidige anvendelser fra brandsikring til lægemiddellevering.

MOF'er er, faktisk, de mest porøse materialer, som menneskeheden kender. En metal-organisk ramme, såkaldt NU-110, har så stort et areal, at kun et gram af det kunne foldes ud til at dække halvanden fodboldbane.

Det enorme indre overfladeareal er et resultat af atomkomponenterne - metalatomer forbundet med organiske molekyler, danner en burlignende struktur. Det er ved at pille ved kemien i disse bure, og ved at indsætte forskellige genstande i dem, at videnskabsmænd er i stand til at overveje så mange forskellige anvendelser.

"Ved velovervejet valg af metaller og linkermolekyler, der er et stort antal materialer, der kan fremstilles med egenskaber designet til specifikke behov, " sagde Dr. Ross Forgan fra University of Glasgow i Storbritannien, som udforsker metal-organiske rammer for kræfttilførsel af lægemidler.

Aktiv målretning

De fleste kemoterapimedicin ender med at påvirke sundt væv såvel som tumoren, derfor de velkendte bivirkninger ved kvalme, nyreskader og hårtab. For at prøve at løse dette, nogle 'passivt målrettede' behandlinger er baseret på nanopartikler for at udnytte det faktum, at tumorer er bedre end normale celler til at tilbageholde nanopartikler.

Dr. Forgans mål er at gå en bedre og aktivt målrette tumorer. Kræftmedicin kan indlæses i metal-organiske rammer, mens MOF'erne selv kan designes til specifikt at låse på tumorer.

Aktiv målretning betyder, at alle stofferne ender ved døren til en tumor, så det giver færre bivirkninger. Det betyder også, at læger kan anvende medicinbehandlinger, der normalt er for kraftfulde til at overveje.

"Metalorganiske rammer akkumuleres ikke, " sagde Dr. Forgan. "Når de har leveret deres last, vil de hydrolysere (nedbrydes), adskillelse i deres metal- og linkerkomponenter, som kan vælges til at være helt ugiftigt."

I øjeblikket, Dr. Forgan og hans kolleger udvikler kemien i metal-organiske rammer, ved hjælp af DNA og andre molekyler, for at få dem til at hænge på tumorer. I mellemtiden de udvikler metoder til at lave MOF'er, der er hurtige, justerbar og repeterbar – alle nøglekrav til klinisk testning.

100 gange boost

Dette år, de gjorde en afgørende opdagelse:at cytotoksiciteten, eller effektivitet, af kræftmedicin i vid udstrækning bestemmes ikke af deres mængde, men ved den specifikke mekanisme, hvorved de optages. Faktisk, justering af denne mekanisme med metal-organiske rammer har gjort det muligt for forskerne at booste cytotoksiciteten af ​​simple anti-cancer-molekyler omkring 100 gange.

Metalorganiske rammer er blevet udråbt som frelsere for næsten alt. Potentielt, de kunne lagre brint til generering af ren elektricitet, udføre kunstig fotosyntese og endda opdage kemiske våben.

På IMDEA Materials Institute i Madrid, Spanien, Professor De-Yi Wang udforsker en potentielt mere udbredt anvendelse:brandsikring. Nuværende brandhæmmende materialer er baseret på organiske molekyler indeholdende fosfor og, selvom det er effektivt, disse er dårlige for miljøet og har en tendens til at kompromittere stivheden af ​​de overflader, de påføres på.

På den anden side, en metal-organisk ramme kan faktisk forbedre de mekaniske egenskaber af en overflade. Det kan også indeholde en flammehæmmende forbindelse, men brug mindre af det til at generere den samme beskyttelse.

"Vi kan forbedre flammehæmningen på en mere miljøvenlig måde, uden at ofre de mekaniske præstationer – eller endda forbedre dem, " sagde prof. Wang. Når hans flammehæmmende metal-organiske ramme udsættes for ild, Prof. Wang forklarer, i stedet for at brænde det bare tegn, beskytter hvad der ligger under.

Ustabil

Indtil nu, så godt. Men der er stadig problemer, det faktum, at metal-organiske rammer ikke er særlig stabile i vand – et problem, hvis for eksempel, forskere ønsker at inkorporere dem i vandbaserede, brandhæmmende maling. Prof. Wang mener, at svaret kan være at belægge de metalorganiske rammer med overfladeaktive stoffer - vaskemiddel er et almindeligt eksempel - for at hjælpe dem med at stabilisere og blande med vand.

Den gode nyhed er, at de særlige MOF'er, prof. Wang og hans kolleger bruger, allerede kan laves hurtigt og i store partier, hvilket betyder, at en billig vej til industrialisering ser ud til at være mulig.

"Mange termisk-plastiske typer polyester i vores daglige liv kan udstyres med flammehæmning og andre funktioner, såsom forstærkede mekaniske egenskaber, " han sagde.