Europæisk XFEL fremkalder hemmeligheder fra en vigtig nanogel

Et internationalt team på verdens største røntgenlaser-europæiske XFEL i Schenefeld nær Hamborg har gransket egenskaberne af en vigtig nanogel, der ofte bruges i medicin til at frigive lægemidler på en målrettet og kontrolleret måde på det ønskede sted i en patients krop. Holdet har nu offentliggjort resultaterne i tidsskriftet Science Advances .

Forskerne undersøgte den temperatur-inducerede hævelse og kollaps af polymeren poly-N-isopropylacrylamid (PNIPAm) ved European XFEL i Schenefeld nær Hamborg. PNIPAm er på grund af dets dynamiske ændringer hyppigt anvendt i medicin, f.eks. til lægemiddellevering, vævsteknologi eller sensorik.

PNIPAm opløses typisk i vand. Over en vis temperatur, den såkaldte lavere kritiske opløsningstemperatur (LCST), som er omkring 32 °C, skifter den fra en hydrofil, vandelskende tilstand til en hydrofob, vandafvisende tilstand. Som en konsekvens heraf ændrer nanogel-partikler, som undersøgt af Lehmkühler og kolleger, hurtigt deres størrelse over denne temperatur ved at uddrive vand.

Denne funktion er nyttig til en række applikationer, herunder kontrolleret frigivelse af lægemidler i en patients krop, som et modelsystem for proteiner og i vævsteknologi, dyrkning af organisk væv til medicinske applikationer eller som biokompatible temperatursensorer.

Det har dog hidtil været meget svært at se disse hurtige faseovergange eksperimentelt og derfor at optimere dem til forskellige applikationer. Derfor er den præcise karakterisering af kinetikken af ​​ændringerne af PNIPam-polymeren med temperatur stadig et livligt forskningsemne.

Nu har den hurtige sekvens af røntgenimpulser fra det europæiske XFEL gjort det muligt for forskere at undersøge de hurtige, temperaturafhængige ændringer i PNIPAM nanogelen ved hjælp af en teknik kaldet X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS).

"På grund af den høje gentagelseshastighed af den europæiske XFEL kan vi udføre disse målinger med høj nok tidsopløsning til at følge strukturen og bevægelsen af ​​nanogelerne," siger Johannes Möller, instrumentforsker ved Materials Imaging and Dynamics (MID) instrumentet. Europæisk XFEL. Forskerne undersøgte partikler på omkring 100 nanometer størrelse. Røntgenimpulserne blev brugt både til at opvarme nanopartiklerne og til at måle deres strukturelle ændringer via deres dynamik, det vil sige deres bevægelse i det omgivende vand.

"Ved hjælp af de data, der er indhentet på den europæiske XFEL, har vi nu været i stand til at opnå en bedre forståelse af hævelsen og kollapsen af ​​polymeren," siger Felix Lehmkühler, en af ​​lederne af teamet.

"I modsætning til tidligere undersøgelser, der var begrænset til indirekte målinger af kinetikken af ​​hævelse eller kollaps, fandt vi ud af, at nanogelen krymper betydeligt hurtigere i intervallet 100 nanosekunder, men det tager to til tre størrelsesordener længere om at svulme," forklarer Lehmkühler. Resultaterne kan hjælpe forskere til yderligere at forstå og forbedre egenskaberne ved polymeren til forskellige anvendelser, såsom udvikling af mere effektive lægemiddelleveringssystemer.

Flere oplysninger: Francesco Dallari et al., Real-time hævelse-kollaps kinetik af nanogeler drevet af XFEL-impulser, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adm7876

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af European XFEL GmbH