En mångsidig klass av flexibla, proteinliknande polymerer skulle kunna avsevärt främja framtida läkemedelstillförselmetoder. Men först, forskare måste utveckla en pålitlig process för att skräddarsy dessa polymerer till former som effektivt kan transportera läkemedel genom hela människokroppen.

Donghui Zhang, en professor i kemi vid Louisiana State University, är vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att lösa detta problem. Hennes mål är att lära sig mer om kristallisationsdriven självmontering, en teknik för att bilda fasta material i nanoskala från polymera lösningar. Specifikt, hon vill bättre förstå hur den här tekniken kan användas för att skapa nanostrukturer med kontrollerad form från polymerer som kallas polypeptoider. Dessa polymerer är särskilt bra på att navigera i människokroppens komplicerade ekosystem, och om Zhang kan hitta ett effektivt sätt att forma dem till uppgiftsspecifika strukturer, hon kanske kan ge ingenjörer och andra forskare bättre tillgång till ett spännande nytt material. Hennes forskning publiceras i tidskriften Makromolekyler .

"Vi vet att det är möjligt att skapa dessa nanostrukturer från polypeptoider, men det finns många aspekter av denna process som fortfarande är dåligt förstådda. Vi skulle vilja lära oss mer om det så att andra forskare lättare kan komma åt detta material, " sa Zhang.

Zhang förklarar att kristallisationsdriven självmontering beskriver en process där polymerer lösta i lösning långsamt sätts ihop till mer stela nanoskopiska strukturer när den lösningen kyls under sin kristallisationspunkt. Beroende på den exakta formen och dimensionerna för dessa kristalliserade strukturer, de kan sedan användas för att utföra ett antal medicinska uppdrag som involverar saker som läkemedelsinkapsling och långsam frisättning av medicin i blodomloppet.

"Dessa polymerer kan sätta ihop sig själva i en mängd olika former. Fibrer, stavar, och tvådimensionella ark är alla möjliga resultat från kristallisationsdriven självmontering, och var och en av dessa former kan användas för att tjäna ett annat syfte, " sa Zhang.

Problemet, hon förklarar, förutsäger exakt vilka former som kommer att dyka upp när polymeren kristalliseras i lösning. Vissa former är mer värdefulla än andra. Särskilt, nanorods och endimensionella nanofibriller tillverkade av polypeptoider är utmärkta vehiklar för vissa anti-cancermediciner och kan överleva i blodomloppet under långa perioder. Zhang vill bättre förstå mekanismerna bakom kristallisationsdriven självmontering så att hon kan finslipa processen och producera dessa användbara former med större regelbundenhet.

"För att maximera effektiviteten av detta material, vi måste se till att den har en anpassningsbar morfologi, vilket betyder att det måste vara något vi kan syntetisera till specifika former och storlekar, " sa Zhang.

För att lära dig mer om kristallisationsdriven självmontering och hur den kan användas för att producera skräddarsydda nanostrukturer från polypeptoider, Zhang använde en kombination av neutron- och röntgenspridning för att studera polypeptoidprover suspenderade i lösning.

Zhang fick resurser till DOE:s ORNL och Brookhaven National Laboratory (BNL) genom ett nytt gemensamt åtkomstprogram för neutronspridning med liten vinkel (SANS) och röntgenspridning med liten vinkel (SAXS). Programmet påskyndar forskningsprocessen avsevärt och ökar hastigheten i vilken forskare kan publicera sina upptäckter genom att tillåta dem att begära stråltid vid båda anläggningarna genom ett enda förslag - med tillgång till Bio-SANS-instrumentet vid ORNL:s högflödesisotopreaktor (HFIR) och Bio-SAXS (LiX)-instrumentet vid BNL:s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Faktiskt, the Macromolecules paper är den första publikationen som kommer från SAXS-SANS-partnerskapet.

Neutroner är särskilt känsliga för lätta element som väte, medan röntgenstrålar är känsligare för tyngre element. Som ett resultat, olika strukturella egenskaper hos de molekylära sammansättningarna framhävdes med antingen SANS eller SAXS. Till exempel, SANS-data var avgörande för att bestämma den yttre formen på strukturens byggstenar, medan strukturens inre atomavstånd eller arrangemang inte hade kunnat fastställas utan röntgendata. Kombinerad analys av båda data gav en mer tillförlitlig och komplett bild av den strukturella informationen för de molekylära sammansättningarna.

Bio-SANS kan undersöka materia över ett brett spektrum av längdskalor, vilket innebär att Zhang kan generera data om både de små egenskaperna hos dessa materials nanoskopiska strukturer och de större systemen som dikterar hur dessa material strukturerar sig själva i ett enda experiment.

"Vi kan observera de mer komplexa polymernanostrukturerna som uppstår från polymerlösningarna i realtid med hjälp av SAXS, vilket ger oss en utmärkt kunskap om hur dessa material sätts ihop under kristallisation, " sa Zhang.

"Småvinklar neutronspridning och småvinklar röntgenspridning kompletterar verkligen varandra, så om du kombinerar dem, du kan få en mer komplett bild av ditt provs struktur. Jag njöt verkligen av denna gemensamma tillgång till SANS på ORNL och SAXS på BNL, och jag tror att det kommer att vara en stor tillgång för forskare som vill lära sig mer om materialsystem."

ORNL-instrumentforskaren Shuo Qian tillade, "Val som helst forskare kan dra nytta av det här programmet. Med ett förslag, du kan komma åt båda faciliteterna. Det är en sällsynt möjlighet för forskare att få ett överflöd av olika data."

Zhang hoppas att hennes forskning kommer att hjälpa andra forskare att använda kristallisationsdriven självmontering för att effektivt skapa nya typer av material från polypeptoider och andra lovande polymerer.

"Dessa nanostrukturer kan vara användbara för att förbättra ett antal viktiga medicinska procedurer, och vårt mål är att generera forskning som gör det möjligt för kollegor att syntetisera dessa material mer effektivt, " sa Zhang.

Kompletterande röntgenmätningar gjordes vid Argonne National Laboratorys Advanced Photon Source (APS) och Cornell Universitys High Energy Synchrotron Source.