Ultradunne metaal-organische lagen voorkomen de vorming van ijskristallen in nieuwe cryoprotectanten

Kleine hoeveelheden nanometerdunne metaal-organische lagen beschermen op efficiënte wijze rode bloedcellen tijdens invriezen en ontdooien, schrijft een team van onderzoekers in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition heeft ontdekt. De nanolagen, gemaakt van metaal-organische raamwerken op basis van het metaal hafnium, voorkomen de vorming van ijskristallen bij zeer lage concentraties. Deze effectieve nieuwe cryoprotectiemodus zou kunnen worden gebruikt om nieuwe en efficiëntere cryoprotectanten voor de biowetenschappen te ontwikkelen.

Cryoprotectanten voorkomen de vorming van ijskristallen wanneer monsters worden ingevroren. Groeiende kristallen kunnen delicate celmembranen en celcomponenten beschadigen en de celintegriteit verstoren. Sommige oplosmiddelen of polymeren zijn goede cryoprotectanten; ze houden de vorming van ijskristallen onder controle door watermoleculen te binden en hun geordende assemblage tijdens ijsvorming te verstoren.

Synthetische chemie heeft nog meer trucs in petto om ijsvorming op een effectievere manier aan te pakken en te beïnvloeden. Metaal-organische raamwerken (MOF’s) zijn driedimensionale kristallijne netwerken van metaalionen verbonden door organische liganden. Deze liganden kunnen worden aangepast om kleine moleculen zoals water te binden, waardoor de assemblage van de watermoleculen tot ijskristallen zeer nauwkeurig kan worden afgestemd.

Wei Zhu van de South China University of Technology in Guangzhou (China) en collega’s hebben nu ontdekt dat naarmate MOF’s op basis van hafnium en organische liganden dunner worden, hun vermogen om watermoleculen te binden en te beïnvloeden toeneemt, vooral omdat er meer ligandplaatsen beschikbaar zijn. Het team ontwikkelde daarom een ​​methode voor gecontroleerde deconstructie van de driedimensionale metaal-organische raamwerken totdat er alleen tweedimensionale dunne nanolagen overblijven.

Om de geschiktheid van hun hafnium-MOL’s (MOL staat voor metaal-organische laag, om ze te onderscheiden van driedimensionale MOF’s) als cryoprotectanten te testen, bevroor het team rode bloedcellen, een type cel dat in grote aantallen moet worden opgeslagen voor medische doeleinden, maar wordt gemakkelijk vernietigd door de vorming van ijskristallen. Vergeleken met het hydroxyethylzetmeel (HES), dat gewoonlijk wordt gebruikt als cryoprotectant, vertoonden hafnium MOL’s uitstekende cryoprotectie bij een minimale concentratie van minder dan 0,1%, terwijl de HES-oplossingen doorgaans worden gebruikt bij concentraties tot 30%.

Zhu en het team legden uit dat de MOL’s zo effectief zijn omdat de onregelmatige tweedimensionale structuur van de liganden die de watermoleculen binden, de vorming van regelmatige ijskristalkernen voorkomt. Het team suggereert dat de dimensionale reductie van MOF’s een interessant nieuw perspectief is voor het verkrijgen van zeer efficiënte cryoprotectanten.