Drexel-forskare upptäckte att packning av fler polymer "borst" på en molekylär flaskborstepolymer får den att böjas, som är grunden för sfärisk kristalltillväxt. Kredit:Drexel University
Från snöflingor till kvarts, naturens kristallina strukturer bildas med en pålitlig, systemisk symmetri. Forskare vid Drexel University, som studerar bildandet av kristallina material, har visat att det nu är möjligt att kontrollera hur kristaller växer – inklusive att avbryta den symmetriska tillväxten av platta kristaller och få dem att bilda ihåliga kristallsfärer. Upptäckten är en del av en bredare designsatsning fokuserad på inkapsling av medicin för riktade läkemedelsbehandlingar.
Den nya utvecklingen, nyligen rapporterat i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation , leddes av Christopher Li, Ph.D., en professor vid Drexels College of Engineering vars forskning vid institutionen för materialvetenskap och teknik har centrerats kring tekniska polymerstrukturer för speciella tillämpningar, i samarbete med Bin Zhao, Ph.D., en professor vid kemiavdelningen vid University of Tennessee, Knoxville. Deras arbete visar hur dessa strukturer, som polymerkristallsfärer, kan bildas helt enkelt genom att blanda kemikalier i en lösning - snarare än att fysiskt manipulera deras tillväxt.
"De flesta kristaller växer i ett regelbundet mönster, om du tänker på snöflingor, det finns en translationssymmetri som styr enhetscellen som upprepas genom hela den kristallina flingan. Det vi har upptäckt är ett sätt att kemiskt manipulera den makromolekylära strukturen så att denna translationella symmetri bryts när molekylen kristalliserar, ", sa Li. "Detta betyder att vi kan kontrollera den övergripande formen på kristallen när den formas - vilket är en mycket spännande utveckling, både för dess vetenskapliga betydelse och de implikationer det kan ha för massproduktion av riktade terapier."
Tekniken Li använder för att tvinga vad som normalt skulle vara en flingliknande kristall att dra upp sig själv i en sfär bygger på hans tidigare arbete med polymerer som ser ut som penslar och polymerkristaller bildade av emulsionsdroppar. Genom att införliva dessa böjliga "flaskborste"-polymerer som kristallens struktursystem, tillåter Li att forma sin tillväxt genom att justera "borsten" på borsten.
Genom att lägga till fler polymer "borst" till flaskborstpolymerer (vänster), forskare har upptäckt ett sätt att initiera och pausa självmontering av kristaller från lösning. Kristallerna skulle en dag kunna användas för att kapsla in medicin för riktade läkemedelsterapier. Kredit:Drexel University
"En flaskborstepolymer har foderborst som omger en ryggrad, vad vi upptäckte är att vi kan få den där ryggraden att böjas vid kristallisering genom att packa borsten på ena sidan av den, " Sa Li. "Detta sätter mönstret som upprepas när kristallen växer - så istället för att växa platt kröker den sig tredimensionellt för att bilda en sfär."
Det betyder att mängden borstpolymerer i lösningen kommer att avgöra hur mycket flaskborstens ryggrad böjs och därmed formen och storleken på kristallkulan.
Lis team rapporterar också om hur man pausar bildandet av kristallen, lämnar hål i sfären som kan vara användbara för att sätta in en medicinsk nyttolast under tillverkningsprocessen. När den väl är fylld, den kan förslutas med polymerer som är skräddarsydda för att hjälpa till att rikta den mot sitt mål i kroppen.
"Vi har arbetat för denna prestation under en tid, " Sa Li. "Denna sfäriska kristallografi manifesterar sig i robusta strukturer som vi ser i naturen från äggskal till viruskapsider, så vi tror att det är den idealiska formen för att överleva svårigheterna med att tillföra medicin i kroppen. Att kunna kontrollera egenskaperna hos kristallen när den formas är ett viktigt steg mot att förverkliga denna applikation."
