Chemici vinden vormveranderende nanomaterialen uit

Chemici hebben een nanomateriaal ontwikkeld dat ze kunnen triggeren om op een controleerbare manier van vorm te veranderen – van platte platen naar buizen en weer terug naar platen. De Tijdschrift van de American Chemical Society publiceerde een beschrijving van het nanomateriaal, dat werd ontwikkeld aan de Emory University en potentieel biedt voor een reeks biomedische toepassingen, van geneesmiddelafgifte met gecontroleerde afgifte tot weefselmanipulatie.

Het nanomateriaal, dat in velvorm 10.000 keer dunner is dan de breedte van een mensenhaar, is gemaakt van synthetisch collageen. Natuurlijk voorkomend collageen is het meest voorkomende eiwit bij mensen, waardoor het nieuwe materiaal intrinsiek biocompatibel is.

“Niemand heeft eerder collageen gemaakt met de vormveranderende eigenschappen van ons nanomateriaal”, zegt Vincent Conticello, senior auteur van de vondst en Emory-hoogleraar biomoleculaire chemie. “We kunnen het omzetten van platen in buizen en terug door simpelweg de pH of zuurconcentratie in de omgeving te variëren.”

Het Emory Office of Technology Transfer heeft een voorlopig octrooi aangevraagd voor het nanomateriaal.

De eerste auteurs van de bevinding zijn Andrea Merg, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het Conticello-lab die nu aan de University of California Merced zit, en Gavin Touponse, die het werk deed als Emory-undergraduate en nu op de medische school aan Stanford zit. Het werk was een samenwerking tussen Emory en wetenschappers van het Argonne National Laboratory, het Paul Scherrer Institute in Villigen, Zwitserland, en het Center for Cellular Imaging and NanoAnalytics aan de Universiteit van Basel.

Collageen is het belangrijkste structurele eiwit in het bindweefsel van het lichaam, zoals kraakbeen, botten, pezen, ligamenten en huid. Het is ook overvloedig aanwezig in bloedvaten, de darmen, spieren en in andere delen van het lichaam.

Collageen van andere zoogdieren, zoals varkens, wordt soms gebruikt voor wondgenezing en andere medische toepassingen bij mensen.

Het laboratorium van Conticello is een van de weinige tientallen over de hele wereld die zich richt op het ontwikkelen van synthetisch collageen dat geschikt is voor toepassingen in de biomedische geneeskunde en andere complexe technologieën. Dergelijke synthetische “designer” biomaterialen kunnen worden gecontroleerd op een manier die natuurlijk collageen niet kan.

“Al 30 jaar geleden werd het mogelijk om de volgorde van collageen te controleren”, zegt Conticello. “Het veld heeft de afgelopen 15 jaar echter echt stoom gewonnen door de vooruitgang in kristallografie en elektronenmicroscopie, waardoor we structuren op nanoschaal beter kunnen analyseren.”

De ontwikkeling van het nieuwe vormveranderende nanomateriaal bij Emory was “een toevallig ongeluk”, zegt Conticello. “Er zat een gelukselement in en een ontwerpelement.”

Het collageeneiwit is samengesteld uit een drievoudige helix van vezels die om elkaar heen wikkelen als een touw met drie strengen. De strengen zijn niet flexibel, ze zijn stijf als potloden en ze zijn stevig samengepakt in een kristallijne reeks.

Het Conticello-lab werkt al tien jaar met collageenvellen die het heeft ontwikkeld. “Een vel is één groot, tweedimensionaal kristal, maar door de manier waarop de peptiden worden verpakt, is het net een hele hoop potloden die bij elkaar zijn gebundeld”, legt Conticello uit. ‘Van de helft van de potloden in de bundel is de stift naar boven gericht en van de andere helft het uiteinde van de gum naar boven.’

Conticello wilde proberen de collageenvellen te verfijnen, zodat elke zijde beperkt zou zijn tot één functionaliteit. Om de potloodanalogie verder te verdiepen, zou het ene oppervlak van het vel allemaal loden punten zijn en het andere oppervlak allemaal gummen. Het uiteindelijke doel was om collageenvellen te ontwikkelen die konden worden geïntegreerd met een medisch hulpmiddel door het ene oppervlak compatibel te maken met het apparaat en het andere oppervlak compatibel te maken met functionele eiwitten in het lichaam.

Toen de onderzoekers deze afzonderlijke soorten oppervlakken echter tot enkele collageenvellen ontwikkelden, waren ze verrast om te horen dat de vellen hierdoor als rollen opkrullen. Vervolgens ontdekten ze dat de vormveranderende overgang omkeerbaar was: ze konden bepalen of een vel plat of verschoven was door simpelweg de pH van de oplossing te veranderen. Ze toonden ook aan dat ze de vellen konden afstemmen op vormverandering bij bepaalde pH-niveaus op een manier die door middel van ontwerp op moleculair niveau kan worden gecontroleerd.

“Het is bijzonder interessant dat de toestand waarin de overgang plaatsvindt, een fysiologische toestand is”, zegt Conticello. “Dat opent de mogelijkheid om een ​​manier te vinden om een ​​therapeutisch middel onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden in een collageenbuisje te laden. De collageenbuis kan dan worden afgesteld om zich te ontvouwen en de medicijnmoleculen die het bevat vrij te geven nadat het in de pH-omgeving van een menselijke cel is gekomen. ”