Ett internationellt team på världens största röntgenlaser European XFEL i Schenefeld nära Hamburg har granskat egenskaperna hos en viktig nanogel som ofta används inom medicin för att frigöra läkemedel på ett riktat och kontrollerat sätt på önskad plats i en patients kropp. Teamet har nu publicerat resultaten i tidskriften Science Advances .
Forskarna undersökte den temperaturinducerade svullnaden och kollapsen av polymeren poly-N-isopropylakrylamid (PNIPAm) vid European XFEL i Schenefeld nära Hamburg. PNIPAm används på grund av sina dynamiska förändringar flitigt inom medicin, t.ex. för läkemedelstillförsel, vävnadsteknik eller sensorik.
PNIPAm löses vanligtvis i vatten. Över en viss temperatur, den så kallade lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST), som ligger runt 32 °C, övergår den från ett hydrofilt, vattenälskande tillstånd till ett hydrofobt, vattenavvisande tillstånd. Som en konsekvens ändrar nanogelpartiklar, som undersökts av Lehmkühler och medarbetare, snabbt sin storlek över den temperaturen genom att driva ut vatten.
Den här funktionen är användbar för en mängd olika tillämpningar, inklusive kontrollerad frisättning av läkemedel i en patients kropp, som ett modellsystem för proteiner och inom vävnadsteknik, odling av organisk vävnad för medicinska tillämpningar eller som biokompatibla temperatursensorer.
Det har dock varit mycket svårt hittills att se dessa snabba fasövergångar experimentellt, och därför att optimera dem för olika applikationer. Därför är den exakta karakteriseringen av kinetiken för förändringarna av PNIPam-polymeren med temperatur fortfarande ett livligt forskningsämne.
Nu har den snabba sekvensen av röntgenpulser från den europeiska XFEL gjort det möjligt för forskare att undersöka de snabba, temperaturberoende förändringarna i PNIPam nanogelen med hjälp av en teknik som kallas X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS).
"På grund av den höga upprepningshastigheten för den europeiska XFEL kan vi utföra dessa mätningar med tillräckligt hög tidsupplösning för att följa strukturen och rörelsen hos nanogelerna", säger Johannes Möller, instrumentforskare vid instrumentet Materials Imaging and Dynamics (MID). Europeiska XFEL. Forskarna studerade partiklar med en storlek på cirka 100 nanometer. Röntgenpulserna användes både för att värma nanopartiklarna och för att mäta deras strukturella förändringar via deras dynamik, det vill säga deras rörelse i det omgivande vattnet.
"Med hjälp av data som erhållits vid den europeiska XFEL har vi nu kunnat få en bättre förståelse för svullnaden och kollapsen av polymeren", säger Felix Lehmkühler, en av ledarna för teamet.
"I motsats till tidigare studier, som var begränsade till indirekta mätningar av kinetiken för svullnad eller kollaps, fann vi att nanogelen krymper betydligt snabbare inom intervallet 100 nanosekunder, men det tar två till tre storleksordningar längre tid att svälla", förklarar. Lehmkühler. Resultaten kan hjälpa forskare att ytterligare förstå och förbättra egenskaperna hos polymeren för olika tillämpningar, såsom utveckling av effektivare läkemedelsleveranssystem.
Mer information: Francesco Dallari et al, Svällnings-kollapskinetik i realtid för nanogeler drivna av XFEL-pulser, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adm7876
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av European XFEL GmbH
