Una clase versátil de flexible, Los polímeros similares a proteínas podrían hacer avanzar significativamente los métodos futuros de administración de fármacos. Pero primero, los científicos tienen que desarrollar un proceso confiable para adaptar estos polímeros en formas que puedan transportar medicamentos de manera efectiva por todo el cuerpo humano.

Donghui Zhang, profesor de química en la Universidad Estatal de Luisiana, está en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para resolver este problema. Su objetivo es aprender más sobre el autoensamblaje impulsado por la cristalización, una técnica para formar materiales sólidos a nanoescala a partir de soluciones poliméricas. Específicamente, Quiere comprender mejor cómo se podría utilizar esta técnica para crear nanoestructuras de forma controlada a partir de polímeros conocidos como polipéptoides. Estos polímeros son particularmente buenos para navegar por el complicado ecosistema del cuerpo humano, y si Zhang puede encontrar una manera eficaz de moldearlos en estructuras específicas de tareas, es posible que pueda brindar a los ingenieros y otros investigadores un mejor acceso a un material nuevo e interesante. Su investigación se publica en la revista Macromoléculas .

"Sabemos que es posible crear estas nanoestructuras a partir de polipéptoides, pero hay muchos aspectos de este proceso que siguen sin comprenderse bien. Nos gustaría aprender más al respecto para que otros científicos puedan acceder a estos materiales más fácilmente. "dijo Zhang.

Zhang explica que el autoensamblaje impulsado por cristalización describe un proceso en el que los polímeros disueltos en solución se ensamblan lentamente en estructuras nanoscópicas más rígidas a medida que esa solución se enfría por debajo de su punto de cristalización. Dependiendo de la forma y dimensiones exactas de estas estructuras cristalizadas, luego, pueden usarse para realizar una serie de misiones médicas que involucran cosas como la encapsulación de medicamentos y la liberación lenta de medicamentos en el torrente sanguíneo.

"Estos polímeros se pueden ensamblar en una amplia variedad de formas. Fibras, varillas y las láminas bidimensionales son todos posibles resultados del autoensamblaje impulsado por la cristalización, y cada una de estas formas se puede utilizar para un propósito diferente, "dijo Zhang.

El problema, ella explica, está prediciendo exactamente qué formas aparecerán una vez que el polímero cristalice en solución. Algunas formas son más valiosas que otras. En particular, Las nanovarillas y las nanofibrillas unidimensionales elaboradas a partir de polipéptoides son vehículos excelentes para ciertos medicamentos contra el cáncer y pueden sobrevivir en el torrente sanguíneo durante largos períodos de tiempo. Zhang quiere comprender mejor los mecanismos detrás del autoensamblaje impulsado por la cristalización para poder perfeccionar el proceso y producir estas formas útiles con mayor regularidad.

"Para maximizar la eficacia de este material, Necesitamos asegurarnos de que posee una morfología adaptada, lo que significa que tiene que ser algo que podamos sintetizar en formas y tamaños específicos, "dijo Zhang.

Para obtener más información sobre el autoensamblaje impulsado por la cristalización y cómo podría usarse para producir nanoestructuras personalizadas a partir de polipéptoides, Zhang utilizó una combinación de dispersión de rayos X y neutrones para estudiar muestras de polipéptoides suspendidas en solución.

Zhang recibió recursos para el ORNL del DOE y el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) a través de un nuevo programa de acceso conjunto para la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS). El programa acelera enormemente el proceso de investigación y aumenta la velocidad a la que los científicos pueden publicar sus descubrimientos al permitirles solicitar tiempo de haz en ambas instalaciones a través de una única propuesta, con acceso al instrumento Bio-SANS en el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de ORNL. y el instrumento Bio-SAXS (LiX) en National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de BNL. De hecho, el documento Macromolecules es la primera publicación que proviene de la asociación SAXS-SANS.

Los neutrones son particularmente sensibles a elementos ligeros como el hidrógeno, mientras que los rayos X son más sensibles a los elementos más pesados. Como resultado, Se destacaron diferentes características estructurales de los conjuntos moleculares utilizando SANS o SAXS. Por ejemplo, los datos de SANS fueron fundamentales para determinar la forma externa de los bloques de construcción de la estructura, mientras que el espaciado atómico interno de la estructura o la disposición no podrían haberse determinado sin los datos de rayos X. El análisis combinado de ambos datos proporcionó una imagen más confiable y completa de la información estructural de los ensamblajes moleculares.

Bio-SANS puede sondear la materia en una amplia gama de escalas de longitud, lo que significa que Zhang puede generar datos tanto sobre las características diminutas de las estructuras nanoscópicas de estos materiales como sobre los sistemas más grandes que dictan cómo se organizan estos materiales en un solo experimento.

"Podemos observar las nanoestructuras poliméricas más complejas que emergen de las soluciones poliméricas en tiempo real utilizando SAXS, lo que nos proporciona un excelente cuerpo de conocimientos sobre cómo estos materiales se ensamblan durante la cristalización, "dijo Zhang.

"La dispersión de neutrones de ángulo pequeño y la dispersión de rayos X de ángulo pequeño realmente se complementan, así que si los combinas, puede obtener una imagen más completa de la estructura de su muestra. Realmente disfruté este acceso conjunto a SANS en ORNL y SAXS en BNL, y creo que será una gran ventaja para los investigadores que buscan aprender más sobre los sistemas de materiales ".

El científico de instrumentos ORNL, Shuo Qian, agregó:"Cualquier científico podría beneficiarse de este programa. Con una propuesta, se puede acceder a ambas instalaciones. Esa es una oportunidad única para que los investigadores obtengan una gran cantidad de datos diferentes ".

Zhang espera que su investigación ayude a otros científicos a emplear el autoensamblaje impulsado por la cristalización para crear de manera eficiente nuevos tipos de materiales a partir de polipéptoides y otros polímeros prometedores.

"Estas nanoestructuras podrían ser útiles para mejorar una serie de procedimientos médicos importantes, y nuestro objetivo es generar investigaciones que permitan a los colegas sintetizar estos materiales de manera más efectiva, "dijo Zhang.

Se realizaron mediciones complementarias de rayos X en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) del Laboratorio Nacional Argonne y en la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de la Universidad de Cornell.