Biomedicinska ingenjörer vid Duke University har utarbetat en metod för att göra små partiklar som är säkra för levande vävnader som gör att de kan skapa nya former som är attraktiva för läkemedelstillförsel, diagnostik och vävnadsteknik.

Resultaten visas online den 12 mars i tidskriften Naturkommunikation .

"Med ingenting mer än lite värme och ljus, vi kan göra några ganska bisarra mikropartiklar, sa Stefan Roberts, en biomedicinsk ingenjörsforskare vid Duke. "Tekniken är enkel nog att den skulle kunna skalas upp för att göra miljarder mikropartiklar på några minuter."

I världen av biokompatibla mikropartiklar, form, storlek, inre mikrostruktur och typ av material dikterar deras inneboende egenskaper. Även om företag och forskningslabb redan kan tillverka många komplexa mikropartiklar, processen involverar vanligtvis sofistikerade tillverkningstekniker som multipelemulsionsmikrofluidik eller flödeslitografi. Båda har sina nackdelar.

Multipelemulsionsmikrofluidik styr tråkigt en serie individuella oljedroppar, men kämpar för att hålla material helt åtskilda från varandra och kan inte användas för storskalig produktion. Flödeslitografi lyser ljus genom en mönstrad mask för att etsa former i mjuka material och kan göra många partiklar på kort sikt, men processen är svår att skräddarsy till komplicerade former och inre arkitekturer.

Arbetar med Ashutosh Chilkoti, Alan L. Kaganov framstående professor i biomedicinsk teknik vid Duke, Roberts satte sig för att prova ett helt nytt tillvägagångssätt – biologiska material. Forskarparet har en historia av att arbeta med elastinliknande polypeptider (ELP), som är störda proteiner som, ungefär som en spagettiboll, får sin stabilitet från kaos och har ingen verklig form. På senare tid, teamet började arbeta med partiellt ordnade proteiner (POPs), som behåller många av ELP:s biologiskt användbara egenskaper men har tillräckligt med ordnade segment för att ge mer stabilitet än våta nudlar.

Båda typerna av proteiner kan konstrueras för att växla fram och tillbaka mellan fastillstånd vid vissa temperaturer. Även om detta är en användbar funktion för tillämpningar som att långsamt släppa ut läkemedel i kroppen eller stödja vävnadstillväxt i sår, forskarna upptäckte snart att de också kunde skapa olika partikelformer genom att sätta ihop ELP och POP.

"Oordnade proteiner är ett hett ämne inom biologi, med många forskare som försöker upptäcka hur proteiner utan form fortfarande kan ha ett biologiskt syfte, ", sa Roberts. "En underström av vårt arbete är att istället tänka på dessa proteiner som en materialforskare skulle göra och se om vi kan konstruera dem för våra egna biologiska funktioner på sätt som inte kan uppnås med nuvarande material."

I tidningen, Roberts och Chilkoti visar några nya mikropartiklar gjorda med dessa två typer av proteiner. Genom att justera temperaturerna vid vilka de monteras och demonteras, och sveper fram och tillbaka genom en rad temperaturer i olika hastigheter, forskarna visar att de kan skapa en svit av former som ett skal med en solid kärna, ett skal utan kärna, och en härva av snören prickade med snäckor som de kallade "frukter på en vinstock". Sedan, genom att införliva ljuskänsliga aminosyror, de visar att de kan frysa dessa former till fasta mikropartiklar med en ljusblixt.

Forskarna säger att förmågan att skapa mikropartiklar med exakt separerade regioner är relevant för tillämpningar som läkemedelsleverans och vävnadsteknik.

Varje uppsättning parametrar skapar samtidigt miljontals solida, biokompatibla mikropartiklar något större än en genomsnittlig cell. Det tar bara några minuter, och allt sker i en volym vätska ungefär lika stor som en vattendroppe.

"Detta är ett testfall för en typ av material som är flexibel och enkel nog att skapa både vanliga former och arkitekturer som inte syns med nuvarande tekniker, ", sa Roberts. "Vi använder nya biokompatibla material för att skapa aldrig tidigare skådade former helt enkelt genom att värma, kyler och skiner ett ljus på dem."