I ett nytt genombrott som kan revolutionera medicinsk och materialteknik har forskare utvecklat en första i sitt slag molekylär enhet som kontrollerar frisättningen av flera små molekyler med hjälp av kraft.
Forskarna från University of Manchester beskriver ett kraftkontrollerat frisättningssystem som utnyttjar naturliga krafter för att utlösa riktad frisättning av molekyler, vilket avsevärt skulle kunna främja medicinsk behandling och smarta material.
Upptäckten, publicerad i tidskriften Nature , använder en ny teknik som använder en typ av sammankopplade molekyler som kallas rotaxan. Under påverkan av mekanisk kraft - som den som observeras på en skadad eller skadad plats - utlöser denna komponent frisättningen av funktionella molekyler, som mediciner eller helande medel, för att exakt rikta in sig på det behövande området. Till exempel platsen för en tumör.
Det lovar också självläkande material som kan reparera sig själva på plats när de skadas, vilket förlänger livslängden för dessa material. Till exempel en repa på en telefonskärm.
Guillaume De Bo, professor i organisk kemi vid University of Manchester, sa:"Krafter är allmänt förekommande till sin natur och spelar centrala roller i olika processer. Vårt mål var att utnyttja dessa krafter för transformativa tillämpningar, särskilt när det gäller material hållbarhet och läkemedelsleverans.
"Även om detta bara är en proof-of-concept-design, tror vi att vår rotaxanbaserade strategi har en enorm potential med långtgående tillämpningar - vi är på randen av några verkligt anmärkningsvärda framsteg inom hälsovård och teknik."
Traditionellt har den kontrollerade frisättningen av molekyler med kraft inneburit utmaningar när det gäller att frigöra mer än en molekyl på en gång, vanligtvis genom ett molekylärt "dragkamp"-spel där två polymerer drar på vardera sidan för att frigöra en enda molekyl.
Det nya tillvägagångssättet involverar två polymerkedjor fästa vid en central ringliknande struktur som glider längs en axel som stödjer lasten, och effektivt släpper flera lastmolekyler som svar på kraftanbringande. Forskarna demonstrerade frisättningen av upp till fem molekyler samtidigt med möjligheten att frigöra fler och övervinna tidigare begränsningar.
Genombrottet är första gången forskare har kunnat demonstrera förmågan att frigöra mer än en komponent, vilket gör det till ett av de mest effektiva releasesystemen hittills.
Forskarna visar också modellens mångsidighet genom att använda olika typer av molekyler, inklusive läkemedelsföreningar, fluorescerande markörer, katalysatorer och monomerer, vilket avslöjar potentialen för en mängd framtida tillämpningar.
Framöver siktar forskarna på att fördjupa sig i självläkande tillämpningar och undersöka om två olika typer av molekyler kan frigöras samtidigt. Till exempel kan integreringen av monomerer och katalysatorer möjliggöra polymerisation på platsen för skadan, vilket skapar ett integrerat självläkande system inom material.
De kommer också att försöka utöka den typ av molekyler som kan frigöras.
Prof De Bo sa:"Vi har knappt skrapat på ytan av vad den här tekniken kan åstadkomma. Möjligheterna är obegränsade, och vi är glada att utforska vidare."
Mer information: Guillaume De Bo, Kraftkontrollerad frisättning av små molekyler med en rotaxanaktuator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07154-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07154-0
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Manchester
