Selvsamling påkrævet:Neutrons sonde ny polymeradfærd for biomedicinske materialer

En alsidig klasse af fleksible, proteinlignende polymerer kan i væsentlig grad fremme fremtidige lægemiddelleveringsmetoder. Men først, forskere er nødt til at udvikle en pålidelig proces til at skræddersy disse polymerer til former, der effektivt kan transportere medicin gennem hele menneskekroppen.

Donghui Zhang, professor i kemi ved Louisiana State University, er ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) for at løse dette problem. Hendes mål er at lære mere om krystallisationsdrevet selvsamling, en teknik til at danne faste materialer i nanoskala ud fra polymere opløsninger. Specifikt, hun ønsker bedre at forstå, hvordan denne teknik kunne bruges til at fremstille nanostrukturer med kontrolleret form ud fra polymerer kendt som polypeptoider. Disse polymerer er særligt gode til at navigere i menneskekroppens komplicerede økosystem, og hvis Zhang kan finde en effektiv måde at forme dem til opgavespecifikke strukturer, hun kan måske give ingeniører og andre forskere bedre adgang til et spændende nyt materiale. Hendes forskning er publiceret i tidsskriftet Makromolekyler .

"Vi ved, at det er muligt at skabe disse nanostrukturer ud fra polypeptoider, men der er mange aspekter af denne proces, som stadig er dårligt forstået. Vi vil gerne lære mere om det, så andre videnskabsmænd lettere kan få adgang til disse materialer, " sagde Zhang.

Zhang forklarer, at krystallisationsdrevet selvsamling beskriver en proces, hvor polymerer opløst i opløsning langsomt samler sig i mere stive nanoskopiske strukturer, efterhånden som opløsningen afkøles til under sit krystallisationspunkt. Afhængigt af den nøjagtige form og dimensioner af disse krystalliserede strukturer, de kan derefter bruges til at udføre en række medicinske missioner, der involverer ting som lægemiddelindkapsling og langsom frigivelse af medicin til blodbanen.

"Disse polymerer kan samle sig selv i en lang række forskellige former. Fibre, stænger, og todimensionelle plader er alle mulige resultater fra krystallisationsdrevet selvsamling, og hver af disse former kan bruges til at tjene et andet formål, " sagde Zhang.

Problemet, hun forklarer, forudsiger præcis, hvilke former der vil dukke op, når polymeren krystalliserer i opløsning. Nogle former er mere værdifulde end andre. I særdeleshed, nanorods og endimensionelle nanofibriller fremstillet af polypeptoider er fremragende vehikler til visse anti-kræftmedicin og kan overleve i blodbanen i lange perioder. Zhang ønsker bedre at forstå mekanismerne bag krystallisationsdrevet selvsamling, så hun kan finpudse processen og producere disse nyttige former med større regelmæssighed.

"For at maksimere effektiviteten af ​​dette materiale, vi skal sikre, at den har en skræddersyet morfologi, hvilket betyder, at det skal være noget, vi kan syntetisere til bestemte former og størrelser, " sagde Zhang.

For at lære mere om krystallisationsdrevet selvsamling, og hvordan det kan bruges til at producere skræddersyede nanostrukturer fra polypeptoider, Zhang brugte en kombination af neutron- og røntgenspredning til at studere polypeptoidprøver suspenderet i opløsning.

Zhang fik ressourcer til DOE's ORNL og Brookhaven National Laboratory (BNL) gennem et nyt fælles adgangsprogram for neutronspredning med små vinkler (SANS) og røntgenspredning med små vinkler (SAXS). Programmet fremskynder forskningsprocessen i høj grad og øger hastigheden, hvormed forskere kan publicere deres opdagelser ved at give dem mulighed for at anmode om stråletid på begge faciliteter gennem et enkelt forslag - med adgang til Bio-SANS-instrumentet ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) og Bio-SAXS (LiX) instrumentet ved BNL's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Faktisk, papiret Macromolecules er den første publikation, der kommer fra SAXS-SANS-partnerskabet.

Neutroner er særligt følsomme over for lette elementer som brint, hvorimod røntgenstråler er mere følsomme over for tungere elementer. Som resultat, forskellige strukturelle træk ved de molekylære samlinger blev fremhævet ved hjælp af enten SANS eller SAXS. For eksempel, SANS-dataene var afgørende for at bestemme den ydre form af strukturens byggesten, mens strukturens indre atomafstand eller arrangement ikke kunne have været bestemt uden røntgendataene. Kombineret analyse af begge data gav et mere pålideligt og fuldstændigt billede af den strukturelle information af de molekylære samlinger.

Bio-SANS kan sondere stof på tværs af en bred vifte af længdeskalaer, hvilket betyder, at Zhang er i stand til at generere data om både de små karakteristika af disse materialers nanoskopiske strukturer og de større systemer, der dikterer, hvordan disse materialers struktur organiserede sig i et enkelt eksperiment.

"Vi kan observere de mere komplekse polymer nanostrukturer, der dukker op fra de polymere løsninger i realtid ved hjælp af SAXS, som giver os en fremragende viden om, hvordan disse materialer samler sig under krystallisation, " sagde Zhang.

"Småvinklet neutronspredning og småvinklet røntgenspredning komplementerer virkelig hinanden, så hvis du kombinerer dem, du kan få et mere komplet billede af din prøves struktur. Jeg nød virkelig denne fælles adgang til SANS på ORNL og SAXS på BNL, og jeg tror, ​​det vil være et stort aktiv for forskere, der ønsker at lære mere om materialesystemer."

ORNL instrument videnskabsmand Shuo Qian tilføjede, "Enhver videnskabsmand kunne drage fordel af dette program. Med ét forslag, du kan få adgang til begge faciliteter. Det er en sjælden mulighed for forskere til at få en overflod af forskellige data."

Zhang håber, at hendes forskning vil hjælpe andre forskere med at anvende krystallisationsdrevet selvsamling til effektivt at skabe nye slags materialer ud fra polypeptoider og andre lovende polymerer.

"Disse nanostrukturer kan være nyttige til at forbedre en række vigtige medicinske procedurer, og vores mål er at generere forskning, der vil give kolleger mulighed for at syntetisere disse materialer mere effektivt, " sagde Zhang.

Komplementære røntgenmålinger blev foretaget ved Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source (APS) og Cornell University's High Energy Synchrotron Source.