Los geles son materiales que están presentes en muchos productos cotidianos como los champús, protectores solares y gelatina alimenticia entre muchos otros. Están formados por mezclas en las que grandes cantidades de líquido, generalmente agua, están confinados dentro de una red flexible de cadenas de polímeros o partículas coloidales. Entre los diferentes tipos de geles, todos con diferentes propiedades y aplicaciones, Los nanogeles son partículas de polímero reticuladas de tamaño submicrométrico que pueden transportar o incorporar macromoléculas en su estructura de red. Esta propiedad, junto con su carácter 'suave' y la capacidad de introducir características sensibles a los estímulos, significa que tienen muchas aplicaciones atractivas, incluso dentro de los productos farmacéuticos, en particular la administración de fármacos. Un nuevo estudio publicado en nanoescala por un equipo internacional de científicos de la Universidad Queen Mary de Londres y el Institut Laue-Langiven proporciona información importante que falta sobre el comportamiento de los nanogeles en las interfaces. y puede conducir a una vía de administración de fármacos más paciente y fácil de usar que los métodos actuales.

Los nanogeles basados ​​en NIPAM (N-isopropilacrilamida) se consideran materiales 'inteligentes' o 'intercambiables' debido al hecho de que experimentan una transición de fase a una temperatura crítica cercana a la temperatura fisiológica, la temperatura humana normal de 37 °. C. Esto significa que tienen el potencial de ser un vehículo inteligente de administración de fármacos donde la liberación de un agente activo o fármaco puede desencadenarse por cambios de temperatura. Esto se puede utilizar por simple contacto, por ejemplo, en los sistemas de administración transdérmica a través de nuestra piel. El desarrollo de tales sistemas basados ​​en polímeros requiere una mejor comprensión de la compleja estructura dinámica de tales nanomateriales y actualmente hay una falta de datos experimentales sobre cómo estos materiales se comportan realmente en las interfaces.

Los neutrones son la herramienta ideal para investigar la estructura microscópica de los nanogeles, ayudando así a comprender cómo se pueden controlar sus propiedades. En particular, La reflectometría de neutrones es la técnica de elección para el estudio de superficies e interfaces. Como tal, El reflectómetro ILL FIGARO fue elegido como la principal plataforma experimental para este estudio.

El equipo QMUL-ILL utilizó nanogeles basados ​​en NIPAM sintetizados con diferentes porcentajes de MBA (N, N′-metilenbisacrilamida) como reticulante en el rango del 10 al 30%, y los caracterizó a temperatura fisiológica humana. Hasta ahora no se han intentado estudios estructurales detallados de estos sistemas a escala de longitud molecular.

En este trabajo, Se demostró que se produce un gran cambio conformacional de los nanogeles en la interfaz aire / agua. Se ha descubierto que el modelo de tres capas describe estos sistemas en la superficie; una primera capa colapsada densamente empaquetada en contacto con el aire, una segunda capa de polímero solvatado y una tercera capa de cadenas poliméricas difusas que se extienden hacia la solución a granel. Este estudio también proporciona la primera evidencia experimental de cambios estructurales de nanogeles en función del grado de reticulación en la interfaz aire / agua.

A medida que aumentaba el porcentaje de reticulante incorporado en los nanogeles, se obtuvieron matrices más rígidas y se incrementó la cantidad de nanogeles adsorbidos. La naturaleza de no equilibrio de estos sistemas significa que no es posible aplicar un análisis de tensión superficial normal para estimar la cantidad en una interfaz. En cambio, las mediciones de reflectividad de neutrones con variación de contraste isotópico proporcionan un medio sensible para determinar la cantidad adsorbida. También permite que los cambios en la fracción de volumen de nanogeles en la interfaz se sigan con el tiempo a medida que llega más y más material a la interfaz. La técnica también destaca los cambios en la conformación, lo cual es importante para relacionar la estructura con la función para esta clase de materiales. Debido a que las interacciones de neutrones varían de manera irregular con los números atómicos (es decir, diferentes isótopos), la técnica permite resaltar diferentes aspectos de la estructura mediante sustitución isotrópica. El análisis de medidas registradas en diferentes contrastes isotópicos conduce a la resolución de estructuras complejas.

FIGARO es un reflectómetro de neutrones en el ILL que está optimizado para mediciones en superficies líquidas libres. Es un instrumento versátil, que en sus seis años desde su puesta en servicio ya ha generado más de 70 publicaciones revisadas por pares. Tiene una configuración de alta intensidad para mediciones dinámicas a medida que los materiales se ensamblan en las interfaces, que fue explotado en esta investigación, así como la capacidad de registrar datos en un amplio rango dinámico requerido para resolver estructuras interfaciales difusas.

Dr. Richard Campbell, el primer científico responsable del ILL en el instrumento FIGARO, dijo:"Las mediciones de tensión superficial son más sensibles al material ensamblado justo en la superficie del aire, mientras que el poder de penetración de la reflectividad de los neutrones da como resultado la sensibilidad a estructuras más difusas. Este estudio estructural fue posible debido a la capacidad de realizar mediciones rápidas de la dinámica ensamblaje interfacial, así como mediciones más detalladas para acceder a las estructuras difusas presentes en los nanogeles utilizando una configuración optimizada de alta intensidad de FIGARO ".

La reflectividad de neutrones y los perfiles de fracción de volumen se pueden ver en la Figura. Se muestran tres regiones distintas de la estructura de la superficie con respecto a la profundidad. Hay una primera capa en contacto con el aire que es bastante densa con una fracción de volumen de aproximadamente el 60% seguida de dos capas más que se difunden gradualmente. Curiosamente, el contenido de agua en la primera capa aumenta con la cantidad de MBA; esto se puede atribuir a una reducción en la capacidad de cambiar la conformación (y así repeler el agua de la red de polímeros) de los geles con un mayor grado de reticulación.

Los datos estructurales también sugieren una amplia reordenación de la conformación de las partículas de nanogel en la interfaz durante el proceso de adsorción. resultando en deformación estructural - el grado de deformación disminuye con el aumento del porcentaje de reticulante. Aunque las diferencias en las conformaciones entre el volumen y la interfaz líquido / líquido para microgeles basados ​​en NIPAM se han planteado previamente como hipótesis, este estudio es el primero en proporcionar evidencia de apoyo experimental.

Dr. Ali Zarbakhsh, de la Facultad de Ciencias Biológicas y Químicas de QMUL dijo:"Los datos presentados proporcionan información importante que falta sobre el comportamiento de las partículas de gel en las interfaces. Creemos que pueden conducir al logro de lo racional, diseño inteligente de materiales novedosos para aplicaciones específicas. Nuestra investigación, combinado con la información obtenida de estudios adicionales sobre sistemas relacionados en el futuro, puede conducir a una plataforma prometedora que tiene las características de una vía de administración de medicamentos más paciente y fácil de usar que las alternativas actuales ".