Kemikere opfinder formskiftende nanomateriale

Kemikere har udviklet et nanomateriale, som de kan udløse for at formskifte - fra flade plader til rør og tilbage til plader igen - på en kontrollerbar måde. Det Journal of the American Chemical Society offentliggjort en beskrivelse af nanomaterialet, som blev udviklet på Emory University og rummer potentiale for en række biomedicinske anvendelser, fra medicinafgivelse med kontrolleret frigivelse til vævsteknologi.

Nanomaterialet, som i arkform er 10, 000 gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår, er lavet af syntetisk kollagen. Naturligt forekommende kollagen er det mest udbredte protein hos mennesker, gør det nye materiale iboende biokompatibelt.

"Ingen har tidligere lavet kollagen med de formskiftende egenskaber fra vores nanomateriale, " siger Vincent Conticello, seniorforfatter af fundet og Emory professor i biomolekylær kemi. "Vi kan konvertere det fra plader til rør og tilbage blot ved at variere pH, eller syrekoncentration, i sit miljø."

Emory Office of Technology Transfer har ansøgt om et foreløbigt patent på nanomaterialet.

Første forfattere af fundet er Andrea Merg, en tidligere post-doc stipendiat i Conticello laboratoriet, som nu er ved University of California Merced, og Gavin Touponse, som udførte arbejdet som Emory-studerende og er nu på medicinstudiet i Stanford. Arbejdet var et samarbejde mellem Emory og forskere fra Argonne National Laboratory, Paul Scherrer Instituttet i Villigen, Schweiz, og Center for Cellular Imaging and NanoAnalytics ved universitetet i Basel.

Kollagen er det vigtigste strukturelle protein i kroppens bindevæv, såsom brusk, knogler, sener, ledbånd og hud. Det er også rigeligt i blodkar, tarmen, muskler og i andre dele af kroppen.

Kollagen taget fra andre pattedyr, såsom grise, bruges nogle gange til sårheling og andre medicinske anvendelser hos mennesker.

Conticellos laboratorium er et af kun omkring et par dusin rundt om i verden, der fokuserer på at udvikle syntetisk kollagen, der er egnet til anvendelser inden for biomedicin og andre komplekse teknologier. Sådanne syntetiske "designer" biomaterialer kan kontrolleres på måder, som naturligt kollagen ikke kan.

"Så langt tilbage som for 30 år siden, det blev muligt at kontrollere sekvensen af ​​kollagen, " siger Conticello. "Felten har virkelig taget fart, imidlertid, i løbet af de sidste 15 år på grund af fremskridt inden for krystallografi og elektronmikroskopi, som giver os mulighed for bedre at analysere strukturer på nanoskala."

Udviklingen af ​​det nye formskiftende nanomateriale hos Emory var "en tilfældig ulykke, " siger Conticello. "Der var et element af held og et element af design."

Kollagenproteinet er sammensat af en tredobbelt helix af fibre, der vikler sig om hinanden som et trestrenget reb. Trådene er ikke fleksible, de er stive som blyanter, og de pakker tæt sammen i en krystallinsk række.

Conticello-laboratoriet har arbejdet med kollagenplader, som det udviklede i et årti. "Et ark er ét stort, todimensionel krystal, men på grund af den måde peptiderne pakkes på er det som en hel masse blyanter bundtet sammen, " Conticello forklarer. "Halvdelen af ​​blyanterne i bundtet peger opad, og den anden halvdel har deres viskelæderende opad."

Conticello ønskede at forsøge at forfine kollagenpladerne, så hver side ville være begrænset til én funktionalitet. For at tage blyantanalogien videre, en overflade af arket ville være alle blypunkter, og den anden overflade ville være alle viskelædere. Det ultimative mål var at udvikle kollagenplader, der kunne integreres med et medicinsk udstyr ved at gøre den ene overflade kompatibel med enheden og den anden overflade kompatibel med funktionelle proteiner i kroppen.

Da forskerne konstruerede disse separate typer overflader til enkelte kollagenplader, imidlertid, de var overraskede over at erfare, at det fik arkene til at krølle sammen som ruller. De fandt derefter ud af, at den formskiftende overgang var reversibel - de kunne kontrollere, om et ark var fladt eller rullet blot ved at ændre pH-værdien af ​​den opløsning, det var i. De viste også, at de kunne indstille arkene til at formskifte ved bestemte pH-niveauer på en måde, der kunne styres på molekylært niveau gennem design.

"Det er særligt interessant, at den tilstand, som overgangen sker omkring, er en fysiologisk tilstand, " siger Conticello. "Det åbner potentialet for at finde en måde at indlæse et terapeutisk middel i et kollagenrør under kontrolleret, laboratorieforhold. Kollagenrøret kunne derefter indstilles til at udfolde sig og frigive de lægemiddelmolekyler, det indeholder, efter det kommer ind i pH-miljøet i en menneskelig celle."