Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och University of Tokyo har utvecklat en teknik för reversibel omvandling av 3-D lipidvesiklar till 2-D ultratunna nanoskikt. Både de stabila nanoskikten och den reversibla 2-D-3-D-omvandlingsprocessen kan hitta olika tillämpningar inom läkemedlet, bioingenjör, mat, och kosmetiska vetenskaper.

Ett häpnadsväckande antal senaste tekniska framsteg och nya tekniska tillämpningar går hand i hand med framsteg inom materialvetenskap. Design och manipulation av material på nanoskala (det vill säga i storleksordningen miljarddels meter) har blivit ett hett ämne. Särskilt, nanosheet, som är ultratunna 2-D plana strukturer med en yta som sträcker sig från flera mikrometer till millimeter, har nyligen uppmärksammats mycket på grund av deras enastående mekaniska, elektrisk, och optiska egenskaper. Till exempel, organiska nanoskikt har stor potential som biomedicinska eller biotekniska verktyg, medan oorganiska nanoskikt kan vara användbara för energilagring och skörd.

Men vad sägs om att gå från en 2-D-nanoskiktstruktur till en molekylär 3D-struktur på ett kontrollerbart och reversibelt sätt? Forskare från Tokyo Tech och University of Tokyo har genomfört en studie om en sådan reversibel 2-D/3-D-konverteringsprocess, motiveras av dess potentiella tillämpningar. I deras studie, publicerad i Avancerade material , de fokuserade först på att omvandla sfäriska lipidvesiklar (bubbelliknande strukturer) till 2-D-nanoskikt genom samverkan mellan två föreningar:en membranstörande sur peptid som kallas E5 och en katjonisk sampolymer som kallas poly (allylamin) -graft-dextran (eller PAA-g-Dex, för korta). De försökte sedan återställa lipid-nanoskikten tillbaka till sin 3-D vesikelform genom att ändra specifika villkor, såsom pH, eller med hjälp av ett enzym (fig. 1), och fann att reaktionen var reversibel.

Således, genom olika experiment, forskarna belyste mekanismerna och molekylära interaktioner som gör denna reversibla omvandling möjlig. I vattenhaltiga medier, plana lipid-skikt tenderar att vara instabila eftersom några av deras hydrofoba (vattenavvisande) svansar är utsatta på kanterna, som leder till bildandet av vesiklar, som är mycket mer stabila (fig. 2). Dock, peptid E5, när den viks till en spiralformad struktur med hjälp av PAA-g-Dex, kan störa membranet i dessa vesiklar för att bilda 2-D-nanoskikt. Detta par föreningar kombineras till en bandliknande struktur på kanterna på nanoskikten, i en process som är nyckeln till att stabilisera dem. Professor Atsushi Maruyama, som ledde denna forskning, förklarar "I arkstrukturerna observerade i närvaro av E5 och PAA-g-Dex, sammansättningen av E5 och sampolymeren vid plåtkanterna förhindrar sannolikt exponering av de hydrofoba kanterna för vattenfasen, på så sätt stabiliserar nanoskikten. "(se fig. 3) Arken kan omvandlas till sfäriska vesiklar genom att störa den bandliknande strukturen. Detta kan göras genom, till exempel, tillsats av natriumsaltet av poly (vinylsulfonsyra), vilket ändrar E5:s spiralform.

Forskarnas experiment visade att nanoskiktet är mycket stabilt, flexibel, och tunn; dessa är egenskaper som är värdefulla i biomembranstudier och applikationer. Till exempel, 2-D-3-D-omvandlingsprocessen kan användas för att inkapsla molekyler, som droger, i vesiklarna genom att omvandla dem till ark och sedan tillbaka till sfärer. "Lipidblåsor används för både grundläggande studier och praktiska tillämpningar inom läkemedel, mat, och kosmetiska vetenskaper. Möjligheten att kontrollera bildandet av nanoskikt och vesiklar kommer att vara användbar inom dessa områden, "avslutar professor Maruyama. Utan tvekan, Att förbättra vår förmåga att manipulera den nanoskopiska världen kommer att åstadkomma positiva makroskopiska förändringar i våra liv.