Genom att göra det som kan vara världens minsta tredimensionella inofficiella Block "M, "Forskare vid University of Michigan har demonstrerat en nanopartikeltillverkningsprocess som kan producera flerskiktade, exakta former.
Forskarna säger att deras teknik kan bana väg för mediciner som kan rikta in sig på specifika celler, leverera flera läkemedel vid olika tidpunkter och hastigheter, och till och med låta läkare styra drogerna till vissa platser i kroppen. De kan också erbjuda forskare bättre sätt att testa nya terapier.
Den nya metoden producerar partiklar som kan vara 10 eller fler lager tjocka - för att införliva flera behandlingskurer, metaller, plast eller praktiskt taget något annat material. De kan tillverkas i exakt kontrollerade storlekar och former så små som 25 nanometer över. Vid 115 x 160 mikron och 3 mikron tjock, de hånliga Michigan -logotyperna är ungefär lika stora som ett sandkorn. En mikron, eller mikrometer, är en tusendels millimeter.
"Blocket 'M's' var ett test, "sade Anish Tuteja, U-M biträdande professor i materialvetenskap och teknik och en utvecklare av processen. "Detta öppnar alla möjliga möjligheter för att kombinera olika polymerer och molekyler i olika former. Och eftersom det är enkelt och billigt, vi kan utforska nya möjligheter mycket lättare än tidigare. "
Forskare säger att en av de första tillämpningarna kan vara kemoterapi, där deras förmåga att införliva flera lager kan göra det möjligt för läkemedelstillverkare att kombinera olika kemoterapidroger och rikta in sig på flera typer av cancerceller med en enda behandling. De kan också lägga in magnetiska material som gör det möjligt för läkare att styra läkemedlen mot tumörer.
En annan viktig egenskap är partiklarnas flexibla form, storlek och smink, vilket kan göra det möjligt för läkare och läkemedelstillverkare att optimera mediciner för att mer effektivt rikta cancerceller och göra mindre skada på friska celler.
"Olika typer av cancer har olika cellstrukturer, och varje typ kan internalisera nanopartiklar på ett annat sätt, "sa Geeta Mehta, U-M biträdande professor i materialvetenskap och teknik, som arbetar med projektet. "Vi kan enkelt skräddarsy formen och läkemedelskombinationerna av dessa nya partiklar till varje typ av cancer så att de är mer effektiva mot cancerceller och mindre skadliga för friska celler."
Även om någon ny behandling sannolikt är fem till tio år ut, teamet hoppas kunna ha en tidig iteration av medicinerna tillgängliga för testning inom ett till två år.
Partiklarnas mångsidighet och relativt enkla produktionsprocess gör dem också användbara i laboratoriet för att testa nya behandlingar, och för att få en bättre förståelse för exakt hur läkemedel interagerar med celler.
"University of Michigan har ett omfattande bibliotek med nya cancerläkemedel under utveckling, och jag tror att dessa partiklar kommer att hjälpa oss att förstå hur vi använder dem mest effektivt, "Sa Mehta." Vi kan enkelt prova nya kombinationer av läkemedel och olika partikelformer, och vi kan inkludera färgämnen och andra markörer för att se hur de beter sig inuti en cell. "
Partiklarna kan också vara användbara för andra läkemedelsleveransapplikationer, inklusive inhalerbara vacciner och receptbelagda läkemedel som kan frisättas långt mindre än nuvarande mediciner.
Medan forskare framgångsrikt har skapat flerskiktade nanopartiklar tidigare dessa partiklar är de första som kombinerar den förmågan med exakt kontroll över partiklarnas form, storlek och sammansättning.
Forskargruppen inledde tillverkningsprocessen med en kiselskiva som har en vätskeavvisande beläggning. De använde ultraviolett ljus för att etsa bort beläggningen i form av de slutliga partiklarna. Till sist, de doppade den etsade skivan i en vätska innehållande sin polymer upplöst i ett lösningsmedel. Vätskan sedimenterade endast på de etsade områdena, och när lösningsmedlet avdunstat, polymeren fanns kvar, lämnar exakt formade nanopartiklar. För att få flera lager, forskare doppade helt enkelt skivan om och om igen, bildar ett nytt lager varje gång.
Tuteja sa att nuvarande metoder för tillverkning av flerskiktade nanopartiklar är mer komplexa än det nya tillvägagångssättet. De flesta kan bara producera sfäriska partiklar, och det är svårt att kontrollera partikelstorleken. Han sa att laget håller på att utveckla automatiserade tillverkningsmetoder som så småningom kan producera ett större antal partiklar med större effektivitet. Processen kan eventuellt användas för att tillverka partiklar för en mängd olika applikationer, inklusive datorskärmar, diagnostiska sensorer och till och med mikroskopiska motorer.
Mehta är också biträdande professor i biomedicinsk teknik och makromolekylär vetenskap och teknik. Tuteja är också biträdande professor i makromolekylär vetenskap och teknik.
Ett papper om tekniken, med titeln "Wettability Engendered Templated Self-Assembly (WETS) för tillverkning av flerfasade partiklar, "publiceras i 25 februari -utgåvan av ACS Applied Materials &Interfaces magazine. Forskning stöddes av National Science Foundation och Office of Naval Research.
