Smarte nanogeler ved luft/vand-grænsefladen:strukturelle undersøgelser af neutronreflektivitet

Geler er materialer, der er til stede i mange hverdagsprodukter såsom shampoo, solcremer og madgelatine blandt mange andre. De dannes af blandinger, hvori store mængder væske, normalt vand, er begrænset i et fleksibelt netværk af polymerkæder eller kolloide partikler. Blandt de forskellige typer geler, alle med forskellige egenskaber og anvendelser, nanogeler er sub-mikrometer størrelse tværbundne polymerpartikler, der kan bære eller inkorporere makromolekyler i deres netværksstruktur. Denne ejendom, kombineret med deres 'bløde' karakter og evnen til at introducere stimuli-responsive egenskaber, betyder, at de har mange attraktive applikationer, herunder inden for lægemidler, især medicinafgivelse. En ny undersøgelse offentliggjort i Nanoscale af et internationalt hold af forskere fra Queen Mary University of London og Institut Laue-Langiven giver vigtig manglende information om nanogels adfærd ved grænseflader, og kan føre til en mere tålmodig og brugervenlig lægemiddeladministrationsvej end nuværende metoder.

Nanogeler baseret på NIPAM (N-isopropylacrylamid) anses for at være 'smarte' eller 'omskiftelige' materialer på grund af det faktum, at de gennemgår en faseovergang ved en kritisk temperatur tæt på den fysiologiske temperatur - den normale menneskelige temperatur på 37° C. Dette betyder, at de har potentialet som et intelligent lægemiddelleveringsmiddel, hvor frigivelsen af ​​et aktivt middel eller lægemiddel kan udløses af temperaturændringer. Dette kan bruges ved simpel kontakt, for eksempel, i transdermale leveringssystemer via vores hud. Udviklingen af ​​sådanne systemer baseret på polymerer kræver en bedre forståelse af den komplekse dynamiske struktur af sådanne nanomaterialer, og i øjeblikket er der mangel på eksperimentelle data om, hvordan disse materialer faktisk opfører sig ved grænseflader.

Neutroner er det ideelle værktøj til at undersøge den mikroskopiske struktur af nanogeler, dermed hjælpe med at forstå, hvordan deres egenskaber kan kontrolleres. I særdeleshed, neutronreflektometri er den foretrukne teknik til undersøgelse af overflader og grænseflader. Som sådan, ILL-reflektometeret FIGARO blev valgt som den vigtigste eksperimentelle platform for denne undersøgelse.

QMUL–ILL-teamet brugte NIPAM-baserede nanogeler syntetiseret med forskellige procenter af MBA (N, N′-methylenbisacrylamid) som tværbinder i området 10-30 %, og karakteriserede dem ved menneskelig fysiologisk temperatur. Detaljerede strukturelle undersøgelser af disse systemer på en molekylær længdeskala er ikke blevet forsøgt før nu.

I dette arbejde, det blev vist, at en stor konformationsændring for nanogelerne forekommer ved luft/vand-grænsefladen. Trelagsmodellen har vist sig at beskrive disse systemer ved overfladen; et første tætpakket sammenklappet lag i kontakt med luft, et andet lag af solvatiseret polymer og et tredje lag af diffuse polymerkæder, der strækker sig ind i bulkopløsningen. Denne undersøgelse giver også det første eksperimentelle bevis på strukturelle ændringer af nanogeler som funktion af graden af ​​tværbinding ved luft/vand-grænsefladen.

Efterhånden som procentdelen af ​​tværbinder inkorporeret i nanogelerne blev øget, mere stive matricer blev opnået, og mængden af ​​adsorberede nanogeler steg. Disse systemers ikke-ligevægtsbeskaffenhed betyder, at det ikke er muligt at anvende en normal overfladespændingsanalyse til at estimere mængden ved en grænseflade. I stedet giver neutronreflektivitetsmålinger med isotopisk kontrastvariation et følsomt middel til at bestemme den adsorberede mængde. Det gør det også muligt at følge ændringerne i volumenfraktionen af ​​nanogel ved grænsefladen med tiden, efterhånden som mere og mere materiale nåede grænsefladen. Teknikken fremhæver også ændringer i konformation, hvilket er vigtigt for at relatere struktur til funktion for denne klasse af materialer. Fordi neutroninteraktioner varierer på en uregelmæssig måde med atomnumre (dvs. forskellige isotoper), teknikken tillader forskellige aspekter af strukturen at blive fremhævet ved hjælp af isotrop substitution. Analysen af ​​målinger registreret i forskellige isotopiske kontraster fører til opløsning af komplekse strukturer.

FIGARO er et neutronreflektometer ved ILL, der er optimeret til målinger på frie væskeoverflader. Det er et alsidigt instrument, som i sine seks år siden idriftsættelsen allerede har genereret mere end 70 peer reviewed publikationer. Den har en høj intensitetskonfiguration til dynamiske målinger, når materialer samles ved grænseflader, som blev udnyttet i denne forskning, samt evnen til at optage data over et bredt dynamisk område, der kræves for at løse diffuse grænsefladestrukturer.

Dr. Richard Campbell, ILL's første ansvarlige videnskabsmand på FIGARO-instrumentet, sagde:"Overfladespændingsmålinger er mest følsomme over for det materiale, der er samlet lige ved luftoverfladen, mens den gennemtrængende kraft af neutronreflektivitet resulterer i følsomhed over for mere diffuse strukturer. Denne strukturelle undersøgelse var mulig på grund af evnen til at udføre hurtige målinger af den dynamiske grænsefladesamling samt mere detaljerede målinger for at få adgang til de diffuse strukturer, der er til stede i nanogelerne ved hjælp af en optimeret højintensitetskonfiguration af FIGARO."

Neutronreflektiviteten og volumenfraktionsprofilerne kan ses på figuren. Tre distinkte områder af overfladestrukturen med hensyn til dybden er vist. Der er et første lag i kontakt med luften, som er ret tæt med en volumenfraktion på ca. 60% efterfulgt af yderligere to gradvist diffuserende lag. Interessant nok, indholdet af vand i det første lag stiger med mængden af ​​MBA - dette kan tilskrives en reduktion i evnen til at ændre konformation (og dermed afvise vand fra polymernetværk) af gelerne med en højere grad af tværbinding.

De strukturelle data tyder også på en omfattende omarrangering af konformationen af ​​nanogel-partiklerne ved grænsefladen under adsorptionsprocessen, resulterer i strukturel deformation - graden af ​​deformation aftager med stigende procentdel af tværbinder. Selvom forskellene i konformationer mellem bulk- og væske/væske-grænsefladen for NIPAM-baserede mikrogeler tidligere er blevet antaget, denne undersøgelse er den første, der giver eksperimentel støttende bevis.

Dr Ali Zarbakhsh, fra QMUL's School of Biological and Chemical Sciences sagde:"De præsenterede data giver vigtig manglende information om gelpartiklernes opførsel ved grænseflader. Vi mener, at de kan føre til opnåelse af det rationelle, smart design af nye materialer til specifikke applikationer. Vores forskning, kombineret med indsigten opnået fra yderligere undersøgelser af relaterede systemer i fremtiden, kan føre til en lovende platform, der har karakteristika af en mere tålmodig og brugervenlig lægemiddeladministrationsvej end de nuværende alternativer."