Geler är material som finns i många vardagsprodukter som schampon, solkrämer och matgelatin bland många andra. De bildas av blandningar där stora mängder vätska, vanligtvis vatten, är begränsade inom ett flexibelt nätverk av polymerkedjor eller kolloidala partiklar. Bland de olika typerna av geler, alla med olika egenskaper och tillämpningar, nanogeler är tvärbundna polymerpartiklar i sub-mikrometerstorlek som kan bära eller införliva makromolekyler i sin nätverksstruktur. Denna fastighet, i kombination med deras "mjuka" karaktär och förmågan att introducera stimuli-responsiva egenskaper, betyder att de har många attraktiva applikationer, inklusive inom läkemedel, i synnerhet läkemedelstillförsel. En ny studie publicerad i Nanoscale av ett internationellt team av forskare från Queen Mary University of London och Institut Laue-Langiven ger viktig saknad information om nanogelernas beteende vid gränssnitt, och kan leda till en mer tålmodig och användarvänlig läkemedelsadministration än nuvarande metoder.
Nanogeler baserade på NIPAM (N-isopropylakrylamid) anses vara "smarta" eller "växlingsbara" material på grund av det faktum att de genomgår en fasövergång vid en kritisk temperatur nära den fysiologiska temperaturen - den normala mänskliga temperaturen på 37° C. Detta innebär att de har potentialen som ett intelligent läkemedelsleveransvehikel där frisättningen av ett aktivt medel eller läkemedel kan utlösas av temperaturförändringar. Detta kan användas genom enkel kontakt, till exempel, i transdermala leveranssystem via vår hud. Utvecklingen av sådana system baserade på polymerer kräver en bättre förståelse för den komplexa dynamiska strukturen hos sådana nanomaterial och för närvarande finns det en brist på experimentella data om hur dessa material faktiskt beter sig vid gränssnitt.
Neutroner är det idealiska verktyget för att undersöka den mikroskopiska strukturen hos nanogeler, vilket hjälper till att förstå hur deras egenskaper kan kontrolleras. Särskilt, neutronreflektometri är den valda tekniken för att studera ytor och gränssnitt. Som sådan, ILL-reflektometern FIGARO valdes som den huvudsakliga experimentella plattformen för denna studie.
QMUL–ILL-teamet använde NIPAM-baserade nanogeler syntetiserade med olika procentandelar MBA (N, N′-metylenbisakrylamid) som tvärbindare i intervallet 10–30 %, och karakteriserade dem vid mänsklig fysiologisk temperatur. Detaljerade strukturella studier av dessa system på en molekylär längdskala har inte gjorts tidigare.
I det här arbetet, det visades att en stor konformationsförändring för nanogelerna inträffar vid luft/vatten-gränsytan. Treskiktsmodellen har visat sig beskriva dessa system på ytan; ett första tätt packat kollapsat lager i kontakt med luft, ett andra skikt av solvatiserad polymer och ett tredje skikt av diffusa polymerkedjor som sträcker sig in i bulklösningen. Denna studie ger också det första experimentella beviset på strukturella förändringar av nanogeler som en funktion av graden av tvärbindning vid luft/vatten-gränsytan.
När andelen tvärbindare som inkorporerats i nanogelerna ökade, styvare matriser erhölls och mängden adsorberade nanogeler ökade. Dessa systems icke-jämviktskaraktär gör att det inte är möjligt att tillämpa en normal ytspänningsanalys för att uppskatta mängden vid ett gränssnitt. Istället ger neutronreflektivitetsmätningar med isotopisk kontrastvariation ett känsligt sätt att bestämma den adsorberade mängden. Det gör också att förändringarna i volymfraktionen av nanogeler vid gränssnittet kan följas med tiden när mer och mer material nådde gränssnittet. Tekniken belyser också förändringar i konformation som är viktig för att relatera struktur till funktion för denna klass av material. Eftersom neutroninteraktioner varierar på ett oregelbundet sätt med atomnummer (dvs olika isotoper), tekniken tillåter att olika aspekter av strukturen framhävs med isotrop substitution. Analysen av mätningar registrerade i olika isotopkontraster leder till upplösning av komplexa strukturer.
FIGARO är en neutronreflektometer vid ILL som är optimerad för mätningar på fria vätskeytor. Det är ett mångsidigt instrument, som under sina sex år sedan driftsättningen redan har genererat mer än 70 peer reviewed publikationer. Den har en hög intensitetskonfiguration för dynamiska mätningar när material samlas vid gränssnitt, som utnyttjades i denna forskning, såväl som förmågan att registrera data över ett brett dynamiskt område som krävs för att lösa diffusa gränssnittsstrukturer.
Dr Richard Campbell, ILL:s första ansvariga forskare på FIGARO-instrumentet, sade:"Ytspänningsmätningar är mest känsliga för det material som är monterat precis vid luftytan medan neutronreflektivitetens penetrerande kraft resulterar i känslighet för mer diffusa strukturer. Denna strukturella studie var möjlig på grund av förmågan att utföra snabba mätningar av den dynamiska gränssnittsmontering såväl som mer detaljerade mätningar för att komma åt de diffusa strukturerna som finns i nanogelerna med hjälp av en optimerad högintensitetskonfiguration av FIGARO."
Neutronreflektiviteten och volymfraktionsprofilerna kan ses i figuren. Tre distinkta områden av ytstrukturen med avseende på djupet visas. Det finns ett första skikt i kontakt med luften som är ganska tätt med en volymfraktion på ca 60 % följt av ytterligare två gradvis spridande skikt. Intressant, innehållet av vatten i det första lagret ökar med mängden MBA – detta kan tillskrivas en minskning av förmågan att ändra konformation (och därmed stöta bort vatten från polymernätverket) hos gelerna med en högre grad av tvärbindning.
De strukturella data antyder också en omfattande omarrangering av konformationen av nanogelpartiklarna vid gränssnittet under adsorptionsprocessen, resulterar i strukturell deformation – graden av deformation minskar med ökande andel tvärbindare. Även om skillnaderna i konformationer mellan bulk- och vätske-/vätskegränssnittet för NIPAM-baserade mikrogeler tidigare har antagits, denna studie är den första som ger experimentellt stödjande bevis.
Dr Ali Zarbakhsh, vid QMUL:s School of Biological and Chemical Sciences sa:"Data som presenteras ger viktig saknad information om gelpartiklars beteende vid gränssnitt. Vi tror att de kan leda till uppnåendet av det rationella, smart design av nya material för specifika applikationer. Vår forskning, kombinerat med insikten från ytterligare studier om relaterade system i framtiden, kan leda till en lovande plattform som har egenskaperna hos en mer patientvänlig och användarvänlig läkemedelsadministration än nuvarande alternativ."
