Desde neumáticos hasta ropa y champú, muchos productos ubicuos están hechos con polímeros, grandes moléculas en forma de cadena hechas de subunidades más pequeñas, llamados monómeros, Unidos entre sí. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Delaware y la Universidad de Pennsylvania, con el apoyo principal del Programa de Materiales Biomoleculares del Departamento de Energía de EE. UU., ha creado una nueva unidad fundamental de polímeros que podría marcar el comienzo de una nueva era de descubrimiento de materiales.

Los investigadores diseñaron y crearon rígidos, autoensamblaje, cadenas de polímeros personalizables mediante la unión de nuevos bloques de construcción llamados agrupadores, un término acuñado en UD. Recientemente describieron su trabajo en la revista Naturaleza .

Para crear agrupadores, el equipo reúne cuatro péptidos individuales, ellos mismos cadenas cortas de aminoácidos, en cilindros nanoscópicos. A continuación, se enlazan los cilindros del empaquetador, juntos de principio a fin a través de una serie de reacciones químicas controladas y altamente eficientes conocidas como química de "clic". Las cadenas de polímero resultantes son rígidas, moléculas con forma de varilla que se basan en la biología pero que no existen en la naturaleza. A continuación, las cadenas de aglutinantes se pueden modificar con componentes como polímeros sintéticos o nanopartículas inorgánicas para crear nuevos nanomateriales híbridos.

"Existe una premisa básica en los materiales que si se puede controlar la función y la estructura, entonces básicamente puedes construir cualquier cosa, "dijo Chris Kloxin, autor del estudio y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química y biomolecular en la UD. "Tenemos una unidad estructural muy bien definida, este empaquetador, sobre lo cual tenemos la capacidad de agregar funcionalidad química en cualquier lugar ".

Debido a su rigidez y personalización, Los empaquetadores podrían usarse para diseñar nuevos materiales con una amplia gama de aplicaciones, desde fibras de alto rendimiento hasta plásticos de un solo uso y biológicos, medicamentos que emplean componentes biológicos en lugar de productos químicos tradicionales. La investigación y el desarrollo biofarmacéutico es un área de especialización cada vez mayor en la Universidad de Delaware, sede del Instituto Nacional de Innovación en Fabricación Biofarmacéutica (NIIMBL).

La rigidez de los empaquetadores también podría hacer que estos materiales sean útiles como sustitutos de materiales famosos como el acero en los puentes. la seda en paracaídas o el kevlar en chalecos antibalas.

Prácticamente todos los días coautor Darrin Pochan, presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UD, y Kloxin idearon una nueva aplicación para seguir, suficiente para mantenerlos ocupados a ellos ya sus estudiantes durante años.

"Nuestra idea es que estos empaquetadores realmente son bloques de construcción en todos los sentidos de la palabra, ", dijo Pochan." Vamos a construir muchos, muchos materiales y tecnologías de estos bloques de construcción ".

El equipo ya ha solicitado una patente y planea presentar más.

El origen de los bundlemers

Pochan y el coautor Jeffery Saven, profesor de química en la Universidad de Pennsylvania, han colaborado desde 2012, cuando recibieron una subvención DMREF de la National Science Foundation para estudiar materiales de diseño. Kristi Kiick, Profesor Distinguido Azul y Dorado de Ciencia e Ingeniería de Materiales, También fue colaborador en ese proyecto.

El grupo de química computacional de Saven diseña y modela secuencias de péptidos específicas para identificar candidatos prometedores para la síntesis y caracterización. "Nuestro grupo está involucrado en diseñar e identificar qué hacer, luego modelar estos sistemas para tratar de comprender su estabilidad, "Saven dijo sobre el papel de su grupo en la colaboración.

Saven colabora en nuevos diseños de moléculas con Pochan y ahora Kloxin, que se unió a la colaboración más tarde, donde discuten los pros y los contras de diferentes secuencias de péptidos y cómo crear mejor un nuevo material con una propiedad específica.

Luego, en UD, Pochan y Kloxin fabrican los materiales.

"Es bueno tener comentarios sobre funciones importantes para incluir en los cálculos, ", dijo Saven sobre la importancia de las discusiones iterativas entre los grupos de UD y Penn.

Pochan dijo:"Diseñamos computacionalmente y luego creamos experimentalmente las moléculas para hacer el ensamblaje en los bloques de construcción del empaquetador, ", dijo Pochan." No estamos limitados a la caja de herramientas de la naturaleza ".

Todavía, a pesar de una cuidadosa planificación, los resultados experimentales iniciales sorprendieron a Pochan y Kloxin, en el buen sentido. Cuando vieron por primera vez las medidas de la rigidez de la cadena del empaquetador, asumieron que algo andaba mal. Por lo general, las cadenas de polímero son sueltas y flexibles como espaguetis, pero los polímeros creados a partir de bundlemers son más largos, delgada, varillas robustas.

"La rigidez fue bastante sorprendente y sorprendente, ", dijo Pochan. No fue un error. Las pruebas adicionales revelaron que los empaquetadores tienen una rigidez por peso mucho mayor que casi cualquier otro polímero, como polímeros sintéticos y ADN.

Después de sintetizar los bundlemers, el equipo de investigación caracterizó los materiales mediante microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de transmisión criogénica en el Centro Keck de Microscopía y Microanálisis Avanzados. También confirmaron el tamaño y la estructura de los agrupadores a través de experimentos de dispersión de neutrones de ángulo pequeño en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST. que tiene un acuerdo de cooperación con la Universidad de Delaware para el Centro de Ciencia de Neutrones.

Jeff Caplan, experto en microscopía confocal y director de BioImaging en el Delaware Biotechnology Institute, realizó imágenes de microscopía de reconstrucción óptica estocástica (STORM) para visualizar pequeños segmentos dentro de los bundlemers. Caplan es coautor de la Naturaleza papel.

Este proyecto no hubiera sido posible sin la experiencia complementaria de los investigadores principales. Saven sobresale en cálculos y teoría. Kloxin sobresale en la química de polímeros. Pochan sobresale en la síntesis y caracterización de materiales.

"Tenemos muchas coincidencias con nuestra experiencia, pero el caso es que sin uno de nosotros, nada de esto hubiera pasado, "dijo Pochan." Sin instalaciones, como el Laboratorio de Microscopía Keck de UD, el BioImaging Center en el Delaware Biotechnology Institute, y nuestra relación con NIST y el Centro de Investigación de Neutrones, este tipo de trabajo no sucedería ".

El futuro de los empaquetadores

Próximo, el equipo tiene como objetivo hacer que los paquetes de paquetes sean más accesibles, más fácil de sintetizar, y escalable.

Los científicos de todo el mundo podrían usar agrupadores para abordar una amplia variedad de grandes desafíos en ingeniería. "Estas son herramientas para que cualquiera las use, si eres químico, ingeniero, o físico, ", dijo Pochan." Incluso es difícil pensar en un material equivalente o una herramienta experimental que la gente use ampliamente. Es como una caja de herramientas para que cualquiera pueda diseñar cosas futuras ".