Koffein är välkänt för sin förmåga att hjälpa människor att hålla sig alerta, men ett team av forskare vid MIT och Brigham and Women's Hospital har nu kommit fram till en ny användning för detta kemiska stimulerande medel - som katalyserar bildandet av polymermaterial.

Att använda koffein som katalysator, forskarna har utarbetat ett sätt att skapa gummi, biokompatibla geler som skulle kunna användas för läkemedelstillförsel och andra medicinska tillämpningar.

"De flesta syntetiska metoder för att syntetisera och tvärbinda polymera geler och andra material använder katalysatorer eller tillstånd som kan skada känsliga ämnen som biologiska läkemedel. Däremot här använde vi grön kemi och vanliga livsmedelsingredienser, säger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och en av studiens seniorförfattare. "Vi tror att dessa nya material kan vara användbara för att skapa nya medicinska apparater och läkemedelsleveranssystem."

I deras tidning, som visas i journalen Biomaterial , forskarna visade att de kunde ladda gelerna med två antimalariamedel, och de förväntar sig att materialet också kan användas för att bära andra typer av droger. Läkemedel som bärs av denna typ av material kan vara tuggbara eller lättare att svälja, säger forskarna.

"Det är verkligen tilltalande för patientpopulationer, speciellt barn, som har svårt att svälja kapslar och tabletter, " säger Giovanni Traverso, en forskningsfilial vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och en gastroenterolog och biomedicinsk ingenjör vid Brigham and Women's Hospital, som också är en senior författare av tidningen.

Tidigare MIT postdoc Angela DiCiccio, som nu är på Verily Life Sciences, biovetenskapsavdelningen för Google X, är huvudförfattaren till tidningen.

Koffeinökning

Att tillverka polymergeler kräver vanligtvis metallkatalysatorer, vilket kan vara farligt om någon av katalysatorerna finns kvar i materialet efter att gelén har bildats. MIT-teamet ville komma på ett nytt sätt att göra geler med hjälp av katalysatorer och utgångsmaterial som är baserade på livsmedelsprodukter och andra material som är säkra att inta.

"Vårt mål var att försöka förenkla tillverkningsmetoden och ge en förbättrad säkerhetsprofil från början genom att använda potentiellt säkrare katalysatorer, säger Traverso.

Även om koffein inte har använts för kemisk syntes tidigare, det väckte forskarnas uppmärksamhet eftersom det härrör från växter och kan fungera som en svag bas, vilket innebär att det försiktigt tar bort protoner från andra molekyler. Den har också en liknande struktur som vissa andra organiska svaga baser som har använts för att katalysera den typ av kemisk reaktion som behövs för att bilda dessa geler - bildandet av esterbindningar för att skapa en polyester.

"Polyestrar möjliggör avsiktlig design av intagbara material gjorda av biologiskt härledda resurser, " säger DiCiccio. "Men, det fanns inga katalysatorer som var milda nog för att binda in dessa molekyler utan att orsaka oönskade reaktioner eller kräva superhög värme. Vår nya plattform ger en elegant lösning på detta problem med hjälp av billiga material och brett tillgängliga kemi."

Forskarna bestämde sig för att använda koffein för att inducera citronsyra, annat ätbart material som produceras av växter, att bilda ett polymernätverk tillsammans med polyetylenglykol (PEG), en biokompatibel polymer som har använts i läkemedel och konsumentprodukter som tandkräm i många decennier.

När den blandas med citronsyra och PEG, och något uppvärmd, koffein öppnar upp en syrehaltig ring i PEG, låter den reagera med citronsyra för att bilda kedjor som består av alternerande molekyler av PEG och citronsyra. Om läkemedelsmolekyler finns i blandningen, de blir också införlivade i kedjorna.

Mixa och matcha

Forskarna visade att de kunde ladda två malariadroger, artesunate och piperaquine, i dessa polymerer. De kan också variera gelens kemiska och mekaniska egenskaper genom att ändra dess sammansättning. De skapade geler som innehåller antingen PEG eller en annan polymer som kallas polypropylenglykol, samt några som kombinerar dessa två polymerer i olika förhållanden. Detta gör att de kan kontrollera egenskaper som materialets styrka, dess ytstruktur, och den hastighet med vilken drogerna frisätts.

"Beroende på vad applikationen kan vara, eller vilka droger som ingår, du kan blanda och matcha för att hitta en optimal blandning, säger Traverso.

Gelerna kan också präglas med mönster som mikroskalaarkitekturen som finns på ytan av lotusblad, vilket gör att de kan stöta bort vatten. Att ändra materialets ytegenskaper kan hjälpa forskare att kontrollera hur snabbt eller långsamt gelerna rör sig genom matsmältningskanalen.

De resulterande gelerna innehåller en liten mängd koffein, ungefär samma som den som finns i en kopp te. I preliminära säkerhetstester, forskarna fann inga skadliga effekter i fyra typer av mänskliga celler, eller hos råttor.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.