Kemister har utvecklat ett nanomaterial som de kan utlösa för att formskifta - från platta ark till rör och tillbaka till ark igen - på ett kontrollerbart sätt. De Journal of the American Chemical Society publicerade en beskrivning av nanomaterialet, som utvecklades vid Emory University och har potential för en rad biomedicinska tillämpningar, från administrering av läkemedel med kontrollerad frisättning till vävnadsteknik.

Nanomaterialet, som i arkform är 10, 000 gånger tunnare än bredden på ett människohår, är gjord av syntetiskt kollagen. Naturligt förekommande kollagen är det vanligaste proteinet hos människor, vilket gör det nya materialet i sig biokompatibelt.

"Ingen har tidigare gjort kollagen med de formskiftande egenskaperna hos vårt nanomaterial, säger Vincent Conticello, senior författare till fyndet och Emory professor i biomolekylär kemi. "Vi kan omvandla det från ark till rör och tillbaka helt enkelt genom att variera pH, eller syrakoncentration, i sin miljö."

Emory Office of Technology Transfer har ansökt om ett provisoriskt patent för nanomaterialet.

De första författarna till fyndet är Andrea Merg, en före detta postdoktor i Conticello-labbet som nu är vid University of California Merced, och Gavin Touponse, som gjorde jobbet som Emory-student och går nu på läkarutbildningen i Stanford. Arbetet var ett samarbete mellan Emory och forskare från Argonne National Laboratory, Paul Scherrer-institutet i Villigen, Schweiz, och Center for Cellular Imaging and NanoAnalytics vid universitetet i Basel.

Kollagen är det huvudsakliga strukturella proteinet i kroppens bindväv, som brosk, ben, senor, ligament och hud. Det finns också rikligt i blodkärl, inälvorna, muskler och i andra delar av kroppen.

Kollagen taget från andra däggdjur, som grisar, används ibland för sårläkning och andra medicinska tillämpningar hos människor.

Conticellos labb är ett av endast ett par dussin runt om i världen som fokuserar på att utveckla syntetiskt kollagen lämpligt för tillämpningar inom biomedicin och andra komplexa teknologier. Sådana syntetiska "designer" biomaterial kan kontrolleras på sätt som naturligt kollagen inte kan.

"Så långt tillbaka som för 30 år sedan, det blev möjligt att kontrollera kollagensekvensen, " säger Conticello. "Fältet har verkligen tagit fart, dock, under de senaste 15 åren på grund av framsteg inom kristallografi och elektronmikroskopi, vilket gör att vi bättre kan analysera strukturer på nanoskala."

Utvecklingen av det nya formskiftande nanomaterialet på Emory var "en slumpmässig olycka, " Conticello säger. "Det fanns ett element av tur i det och ett element av design."

Kollagenproteinet är sammansatt av en trippelspiral av fibrer som virar runt varandra som ett tresträngat rep. Strängarna är inte flexibla, de är styva som pennor, och de packas tätt ihop i en kristallin uppsättning.

Conticello-labbet har arbetat med kollagenark som det utvecklat i ett decennium. "Ett ark är ett stort, tvådimensionell kristall, men på grund av hur peptiderna packas är det som en hel massa pennor hopbuntade, " Conticello förklarar. "Halva pennorna i bunten har sina ledningar pekande uppåt och den andra hälften har suddgummit uppåt."

Conticello ville försöka förfina kollagenarken så att varje sida skulle begränsas till en funktionalitet. För att ta blyertsanalogin längre, en yta av arket skulle vara alla blypunkter och den andra ytan skulle vara alla radergummi. Det slutliga målet var att utveckla kollagenark som kunde integreras med en medicinteknisk produkt genom att göra en yta kompatibel med enheten och den andra ytan kompatibel med funktionella proteiner i kroppen.

När forskarna konstruerade dessa separata typer av ytor till enstaka kollagenark, dock, de blev förvånade när de fick reda på att det fick lakanen att krypa ihop som rullar. De fann sedan att den formskiftande övergången var reversibel – de kunde kontrollera om ett ark var platt eller rullade helt enkelt genom att ändra pH i lösningen det var i. De visade också att de kunde ställa in arken för att formskifta vid särskilda pH-nivåer på ett sätt som kunde kontrolleras på molekylär nivå genom design.

"Det är särskilt intressant att tillståndet kring vilket övergången sker är ett fysiologiskt tillstånd, " säger Conticello. "Det öppnar potentialen att hitta ett sätt att ladda ett terapeutiskt medel i ett kollagenrör under kontrollerad, laboratorieförhållanden. Kollagenröret kan sedan ställas in för att vecklas ut och frigöra läkemedelsmolekylerna det innehåller efter att det kommit in i pH-miljön i en mänsklig cell."