Varme og lys skaber nye biokompatible mikropartikler

Biomedicinske ingeniører ved Duke University har udtænkt en metode til fremstilling af små partikler, der er sikre for levende væv, som vil give dem mulighed for at skabe nye former, der er attraktive for lægemiddellevering, diagnostik og vævsteknik.

Resultaterne vises online den 12. marts i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Med intet mere end lidt varme og lys, vi kan lave nogle ret bizarre mikropartikler, " sagde Stefan Roberts, en biomedicinsk ingeniørforsker ved Duke. "Teknikken er enkel nok til, at den kunne skaleres op til at lave milliarder af mikropartikler i løbet af få minutter."

I verden af ​​biokompatible mikropartikler, form, størrelse, indre mikrostruktur og type materiale dikterer deres iboende egenskaber. Selvom virksomheder og forskningslaboratorier allerede kan fremstille mange komplekse mikropartikler, processen involverer normalt sofistikerede fremstillingsteknikker såsom multiple-emulsion mikrofluidik eller flow litografi. Begge har deres ulemper.

Multiple-emulsion mikrofluidik kontrollerer kedelig en række individuelle oliedråber, men kæmper for at holde materialer fuldstændig adskilt fra hinanden og kan ikke bruges til produktion i stor skala. Flowlitografi skinner lys gennem en mønstret maske for at ætse former i bløde materialer og kan lave mange partikler på kort tid, men processen er svær at skræddersy til komplicerede former og interne arkitekturer.

Arbejder med Ashutosh Chilkoti, Alan L. Kaganov Distinguished Professor of Biomedical Engineering ved Duke, Roberts satte sig for at prøve en helt ny tilgang – biologiske materialer. Forskerparret har en historie med at arbejde med elastinlignende polypeptider (ELP'er), som er forstyrrede proteiner, meget som en kugle spaghetti, får deres stabilitet fra kaos og har ingen sand form. For nylig, holdet begyndte at arbejde med delvist bestilte proteiner (POP'er), som bevarer mange af ELP'ernes biologisk nyttige egenskaber, men har nok ordnede segmenter til at give mere stabilitet end våde nudler.

Begge typer proteiner kan konstrueres til at skifte frem og tilbage mellem fasetilstande ved bestemte temperaturer. Selvom dette er en nyttig funktion til applikationer såsom langsom frigivelse af lægemidler i kroppen eller understøttelse af vævsvækst i sår, forskerne opdagede hurtigt, at de også kunne skabe forskellige partikelformer ved at sætte ELP'er og POP'er sammen.

"Forstyrrede proteiner er et varmt emne i biologi, med mange forskere, der forsøger at opdage, hvordan proteiner uden form stadig kan have et biologisk formål, " sagde Roberts. "En understrøm af vores arbejde er i stedet at tænke på disse proteiner, som en materialeforsker ville og se, om vi kan konstruere dem til vores egne biologiske funktioner på måder, der ikke kan opnås med nuværende materialer."

I avisen, Roberts og Chilkoti demonstrerer nogle nye mikropartikler lavet med disse to typer proteiner. Ved at justere de temperaturer, hvor de samles og skilles ad, og fejer frem og tilbage gennem en række temperaturer med forskellige hastigheder, forskerne viser, at de er i stand til at skabe en række former, såsom en skal med en solid kerne, en skal uden kerne, og et virvar af snore oversået med skaller, som de kaldte "frugter på en vinstok." Derefter, ved at inkorporere lysfølsomme aminosyrer, de viser, at de kan fryse disse former til faste mikropartikler med et lysglimt.

Forskerne siger, at evnen til at skabe mikropartikler med præcist adskilte regioner er relevant for applikationer som lægemiddellevering og vævsteknologi.

Hvert sæt parametre skaber samtidig millioner af solide, biokompatible mikropartikler lidt større end en gennemsnitlig celle. Det tager kun et par minutter, og det hele sker i et volumen væske på størrelse med en dråbe vand.

"Dette er en testcase for en type materiale, der er fleksibel og enkel nok til at skabe både almindeligt anvendte former og arkitekturer, der ikke ses ved hjælp af nuværende teknikker, " sagde Roberts. "Vi bruger nye biokompatible materialer til at skabe aldrig før sete former blot ved at opvarme, afkøler og skinner et lys på dem."