Forskere bruger selvsamling til at lave partikler på størrelse med molekyler med ladningspletter

(PhysOrg.com) -- Fysikere, kemikere og ingeniører ved University of Pennsylvania har demonstreret en ny metode til kontrolleret dannelse af plettede partikler, ved hjælp af opladet, selvsamlende molekyler, der en dag kan tjene som lægemiddelleveringskøretøjer til at bekæmpe sygdom og måske bruges i små batterier, der opbevarer og frigiver ladning.

Forskere påviste, at de positive elektriske ladninger af calciumioner - ligesom calcium i tænder og knogler - kan danne broer mellem negativt ladede polymerer, der normalt ville frastøde hinanden. Polymererne, ligner de lipider, der danner membranerne omkring levende celler, har både en vandelskende del knyttet til en vandafvisende del. På overfladerne af disse cellestore polymersække, calciumionerne skaber calciumrige øer eller pletter oven på negativt ladet polymer. Kobberioner virker også, og pletterne kan bringes til at smelte sammen og dække halvdelen af ​​partiklen. Denne polariserede struktur er det grundlæggende arrangement, der er nødvendigt for at opsætte, for eksempel, de to elektroder i et mikroskopisk batteri. De kunne også en dag blive funktionaliseret til docking-steder for at forbedre målrettet levering af lægemiddelfyldte partikler til celler.

Selvom konceptet virker simpelt, at modsatte ladninger tiltrækker, oprettelsen og kontrollen af ​​pletter på en lille partikel har været en udfordring. Forskere som Dennis E. Discher, hovedforsker af undersøgelsen og professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Penn, designer materialer på nanoskala, fordi fremtidige teknologier i stigende grad vil stole på strukturer med distinkte og kontrollerede overflader. Læger, for eksempel, vil forbedre medicinske behandlinger ved at pakke lægemidler ind i de biokonstruerede polymersække, eller ved at skabe bittesmå biomedicinske sensorer. Grøn energiproduktion og -lagring vil også kræve strukturer med skalaer, der ikke længere måles i tommer, men med mikrometer og nanometer.

Samarbejdet involverede fakulteter fra Penn's School of Engineering and Applied Science, School of Medicine og School of Arts and Sciences, og demonstrerede, mere specifikt, den selektive binding af multivalente kationiske ligander i en blanding af både polyanioniske og ikke-ioniske amfifiler, der alle samles i enten pletvis sække kaldet vesikler eller molekylære cylindre kaldet ormlignende miceller. Lignende principper er blevet undersøgt med lipider inden for membranbiofysik, fordi calcium er nøglen til mange cellulære signaleringsprocesser. Tricket er, at energien for tiltrækning af modsatte ladninger skal justeres for at finde en balance med den store entropiske pris for lokalisering i pletter. Hvis attraktionerne er for store, ionerne udfældes, ligesom at tilføje for meget sukker til te eller kaffe.

Brug en lille smule syre eller lidt base, de plettede polymervesikler og cylindre kan laves med justerbare størrelser, former og mellemrum. Samlinger med enkelte store plastre kaldes Janus-samlinger, opkaldt efter den dobbelte romerske gud, og samlingerne holder generelt i årevis, fordi disse er polymerbaserede strukturer.

"Det vigtigste fremskridt, vi præsenterer i denne undersøgelse, er den begrænsede række af betingelser, der kræves til selvsamling i disse løsninger, " sagde Discher. "Vi viser, at ud over polymerer, negativt ladede cellelipider, som er involveret i alle slags cellesignaleringsprocesser som cellebevægelse og kræftmekanik, kan også lave domæner eller øer med calcium."

Værket er repræsentativt for national forskning i blødt stof, materialer konstrueret af organiske molekyler som lipider, peptider og nukleinsyrer. Et korrekt designet molekylært system kan producere en bred vifte af nanostrukturer og mikrostrukturer, efterligne og udvide det, der findes i naturen.

Mere information: Undersøgelsen er blevet publiceret som forsideartikel i tidsskriftet Naturmaterialer .

Kilde:University of Pennsylvania (nyheder:web)