Sætter naturens krystalsymmetri på pause for at fremme målrettet medicinlevering

Fra snefnug til kvarts, naturens krystallinske strukturer dannes med en pålidelig, systemisk symmetri. Forskere ved Drexel University, der studerer dannelsen af ​​krystallinske materialer, har vist, at det nu er muligt at kontrollere, hvordan krystaller vokser – herunder at afbryde den symmetriske vækst af flade krystaller og få dem til at danne hule krystalkugler. Opdagelsen er en del af en bredere designindsats med fokus på indkapsling af medicin til målrettede lægemiddelbehandlinger.

Den nye udvikling, for nylig rapporteret i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation , blev ledet af Christopher Li, Ph.D., en professor ved Drexel's College of Engineering, hvis forskning i Institut for Materialevidenskab og Teknik har centreret sig omkring konstruktion af polymerstrukturer til specielle anvendelser, i samarbejde med Bin Zhao, Ph.D., en professor i kemiafdelingen ved University of Tennessee, Knoxville. Deres arbejde viser, hvordan disse strukturer, ligesom polymer krystal kugler, kan dannes blot ved at blande kemikalier i en opløsning - i stedet for fysisk at manipulere deres vækst.

"De fleste krystaller vokser i et regulært mønster, hvis du tænker på snefnug, der er en translationel symmetri, der styrer enhedscellen, der gentager sig gennem hele den krystallinske flage. Det, vi har opdaget, er en måde at kemisk manipulere den makromolekylære struktur på, så denne translationelle symmetri brydes, når molekylet krystalliserer, " sagde Li. "Dette betyder, at vi kan kontrollere den overordnede form af krystallen, når den dannes - hvilket er en meget spændende udvikling, både for dets videnskabelige betydning og de implikationer, det kunne have for masseproduktion af målrettede terapier."

Teknikken Li bruger til at tvinge, hvad der normalt ville være en flagelignende krystal, til at trække sig op i en kugle, bygger på hans tidligere arbejde med polymerer, der ligner børster og polymerkrystaller dannet af emulsionsdråber. Ved at inkorporere disse bøjelige "flaskebørste"-polymerer som krystallens strukturelle system, tillader Li at forme sin vækst ved at justere børstens "børster".

"En flaskebørstepolymer har foringsbørster omkring en rygsøjle, det, vi opdagede, er, at vi kan få rygsøjlen til at bøje ved krystallisation ved at pakke børster på den ene side af den, " sagde Li. "Dette sætter det mønster, der gentages, efterhånden som krystallen vokser - så i stedet for at vokse flad, krummer den sig tredimensionelt for at danne en kugle."

Det betyder, at mængden af ​​børstehårpolymerer i opløsningen vil bestemme, hvor meget flaskebørstens rygrad bøjer og dermed formen og størrelsen af ​​krystalkuglen.

Li's team rapporterer også om, hvordan man standser dannelsen af ​​krystallen, efterlader huller i kuglen, der kunne være nyttige til at indsætte en medicinsk nyttelast under fremstillingsprocessen. Når den er fyldt, det kan lukkes med polymerer, der er skræddersyet til at hjælpe med at dirigere det til sit mål i kroppen.

"Vi har arbejdet hen imod denne præstation i nogen tid, " sagde Li. "Denne sfæriske krystallografi manifesterer sig i robuste strukturer, som vi ser i naturen fra æggeskaller til viruskapsider, så vi mener, at det er den ideelle form til at overleve strabadserne ved at levere medicin i kroppen. At være i stand til at kontrollere krystallens egenskaber, når den dannes, er et vigtigt skridt i retning af at realisere denne applikation."