(PhysOrg.com) -- Fysiker, kemister och ingenjörer vid University of Pennsylvania har visat en ny metod för kontrollerad bildning av fläckiga partiklar, använder laddad, självmonterande molekyler som en dag kan fungera som läkemedelsleveransfordon för att bekämpa sjukdomar och kanske användas i små batterier som lagrar och släpper laddning.

Forskare visade att de positiva elektriska laddningarna av kalciumjoner - precis som kalcium i tänder och ben - kan bilda broar mellan negativt laddade polymerer som normalt skulle stöta bort varandra. Polymererna, liknar lipiderna som gör membranen som omger levande celler, har både en vattenälskande del kopplad till en vattenavvisande del. På ytan av dessa cellstora polymersäckar, kalciumjonerna skapar kalciumrika öar eller fläckar ovanpå negativt laddad polymer. Kopparjoner fungerar också, och lapparna kan fås att smälta samman och täcka hälften av partikeln. Denna polariserade struktur är det grundläggande arrangemanget som behövs för att installera, till exempel, de två elektroderna i ett mikroskopiskt batteri. De skulle också en dag kunna funktionaliseras till dockningsplatser för att förbättra målinriktad leverans av läkemedelsladdade partiklar till celler.

Även om konceptet verkar enkelt, att motsatta laddningar lockar, skapande och kontroll av lappar på en liten partikel har varit en utmaning. Forskare som Dennis E. Discher, huvudforskare av studien och professor i kemisk och biomolekylär ingenjörsteknik vid Penn, designar material i nanoskala eftersom framtida teknologier i allt högre grad kommer att förlita sig på strukturer med distinkta och kontrollerade ytor. Läkare, till exempel, kommer att förbättra medicinska behandlingar genom att linda in läkemedel i de biokonstruerade polymersäckarna, eller genom att skapa små biomedicinska sensorer. Grön energiproduktion och lagring kommer också att kräva strukturer med skalor som inte längre mäts i tum, men med mikrometer och nanometer.

Samarbetet involverade lärare från Penn's School of Engineering and Applied Science, School of Medicine och School of Arts and Sciences, och demonstrerade, mer specifikt, den selektiva bindningen av multivalenta katjoniska ligander i en blandning av både polyanjoniska och nonjoniska amfifiler som alla samlas i antingen fläckiga säckar som kallas vesikler eller molekylära cylindrar som kallas maskliknande miceller. Liknande principer har undersökts med lipider inom membranbiofysik eftersom kalcium är nyckeln till många cellulära signalprocesser. Tricket är att attraktionsenergin för motsatta laddningar måste justeras för att hitta en balans med det höga entropiska priset för lokalisering till fläckar. Om attraktionerna är för stora, jonerna faller ut, precis som att lägga för mycket socker i te eller kaffe.

Använd lite syra eller lite bas, de fläckiga polymervesiklarna och cylindrarna kan göras med inställbara storlekar, former och mellanrum. Sammansättningar med enstaka stora lappar kallas Janus-sammansättningar, uppkallad efter den dubbelsidiga romerske guden, och sammansättningarna håller i allmänhet i åratal eftersom dessa är polymerbaserade strukturer.

"Det viktigaste framsteg vi presenterar i denna studie är det begränsade utbudet av villkor som krävs för självmontering i dessa lösningar, ", sa Discher. "Vi visar att, förutom polymerer, negativt laddade celllipider som är involverade i alla typer av cellsignaleringsprocesser som cellrörelser och cancermekanik, kan också göra domäner eller öar med kalcium."

Verket är representativt för nationell forskning om mjuk materia, material konstruerade av organiska molekyler som lipider, peptider och nukleinsyror. Ett korrekt designat molekylärt system kan producera ett brett spektrum av nanostrukturer och mikrostrukturer, efterlikna och utöka det som finns i naturen.

Mer information: Studien har publicerats som omslagsartikel i tidskriften Naturmaterial .

Källa:University of Pennsylvania (nyheter:webb)