Dalle gomme ai vestiti allo shampoo, molti prodotti onnipresenti sono realizzati con polimeri, grandi molecole a catena costituite da subunità più piccole, chiamati monomeri, legati insieme. Ora, un team di ricercatori dell'Università del Delaware e dell'Università della Pennsylvania, con il supporto primario del Programma sui materiali biomolecolari del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, ha creato una nuova unità fondamentale di polimeri che potrebbe inaugurare una nuova era di scoperte di materiali.

I ricercatori hanno progettato e realizzato rigidi, autoassemblante, catene polimeriche personalizzabili collegando insieme nuovi elementi costitutivi chiamati bundlemer, un termine coniato in UD. Di recente hanno descritto il loro lavoro sulla rivista Natura .

Per creare bundlemer, il team assembla insieme quattro singoli peptidi, stesse corte catene di amminoacidi, in cilindri nanoscopici. I cilindri del fardellatore vengono quindi collegati, insieme end-to-end attraverso una serie altamente efficiente e controllata di reazioni chimiche note come chimica "click". Le catene polimeriche risultanti sono rigide, molecole simili a bastoncelli che si basano sulla biologia ma non esistono in natura. Le catene di fasci possono quindi essere modificate con componenti come polimeri sintetici o nanoparticelle inorganiche per creare nuovi nanomateriali ibridi.

"C'è una premessa di base nei materiali che se puoi controllare la funzione e la struttura, quindi puoi essenzialmente costruire qualsiasi cosa, " ha detto Chris Kloxin, autore dello studio e assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica e biomolecolare presso l'UD. "Abbiamo un'unità strutturale molto ben definita, questo fagotto, su cui abbiamo la possibilità di aggiungere funzionalità chimiche in qualsiasi luogo."

Per la loro rigidità e personalizzazione, i bundlers potrebbero essere utilizzati per progettare nuovi materiali con una vasta gamma di applicazioni, dalle fibre ad alte prestazioni alle plastiche monouso ai prodotti biologici, medicinali che impiegano componenti biologici al posto della chimica tradizionale. La ricerca e lo sviluppo biofarmaceutici è un'area di competenza in crescita presso l'Università del Delaware, sede dell'Istituto nazionale per l'innovazione nella produzione biofarmaceutica (NIIMBL).

La rigidità dei fasciatori potrebbe anche rendere questi materiali utili come sostituti di materiali notoriamente resistenti come l'acciaio nei ponti, la seta nei paracadute o il Kevlar nei giubbotti antiproiettile.

Praticamente ogni giorno, co-autore Darrin Pochan, presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UD, e Kloxin escogitano una nuova applicazione da perseguire, abbastanza da tenere occupati loro e i loro studenti per anni.

"La nostra idea è che questi confezionatori siano davvero elementi costitutivi in ​​ogni senso della parola, " disse Pochan. "Ne costruiremo molti, molti materiali e tecnologie fuori da questi mattoni."

Il team ha già richiesto un brevetto e prevede di depositarne altri.

L'origine dei bundlers

Pochan e il coautore Jeffery Saven, professore di chimica all'Università della Pennsylvania, collaborano dal 2012 quando hanno ricevuto una borsa di studio DMREF della National Science Foundation per studiare i materiali del designer. Kristi Kiick, Blue and Gold Distinguished Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali, è stato anche collaboratore di quel progetto.

Il gruppo di chimica computazionale di Saven progetta e modella sequenze peptidiche specifiche per identificare candidati promettenti per la sintesi e la caratterizzazione. "Il nostro gruppo è coinvolto nella progettazione e nell'identificazione di cosa realizzare, poi modellare questi sistemi per cercare di capirne la stabilità, " Saven ha detto del ruolo del suo gruppo nella collaborazione.

Saven collabora su nuovi progetti di molecole con Pochan e ora Kloxin, che ha aderito alla collaborazione in seguito, dove discutono i pro ei contro di diverse sequenze peptidiche e come creare al meglio un nuovo materiale con una proprietà specifica.

Quindi, all'UD, Pochan e Kloxin producono i materiali.

"È bello avere feedback su caratteristiche importanti da includere nei calcoli, " ha detto Saven sull'importanza delle discussioni iterative tra i gruppi di UD e Penn.

Pochan ha detto:"Progettiamo computazionalmente e poi creiamo sperimentalmente le molecole per eseguire l'assemblaggio nei blocchi di costruzione del bundlemer, " ha detto Pochan. "Non siamo limitati alla cassetta degli attrezzi della natura."

Ancora, nonostante un'attenta pianificazione, i primi risultati sperimentali hanno sorpreso Pochan e Kloxin, in senso positivo. Quando hanno visto per la prima volta le misurazioni della rigidità della catena del fasciatore, pensavano che ci fosse qualcosa che non andava. Di solito le catene polimeriche sono sciolte e flessibili come gli spaghetti, ma i polimeri creati dai bundlemer sono più simili a lunghi, magro, canne robuste.

"La rigidità era abbastanza sorprendente e sorprendente, " ha detto Pochan. Non è stato un errore. Ulteriori test hanno rivelato che i bundlemer hanno una rigidità in peso molto più elevata rispetto a quasi tutti gli altri polimeri, come polimeri sintetici e DNA.

Dopo aver sintetizzato i bundlemer, il team di ricerca ha caratterizzato i materiali utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione e la microscopia elettronica a trasmissione criogenica nel Keck Center for Advanced Microscopy and Microanalysis. Hanno anche confermato le dimensioni e la struttura dei bundlemer attraverso esperimenti di diffusione di neutroni a piccolo angolo presso il NIST Center for Neutron Research, che ha un accordo di cooperazione con l'Università del Delaware per il Center for Neutron Science.

Jeff Caplan, esperto di microscopia confocale e direttore di BioImaging presso il Delaware Biotechnology Institute, ha eseguito la microscopia a ricostruzione ottica stocastica (STORM) Imaging per visualizzare piccoli segmenti all'interno dei fasci. Caplan è coautore del Natura carta.

Questo progetto non sarebbe stato possibile senza le competenze complementari dei principali investigatori. Saven eccelle nei calcoli e nella teoria. Kloxin eccelle nella chimica dei polimeri. Pochan eccelle nella sintesi e caratterizzazione dei materiali.

"Abbiamo molte sovrapposizioni con la nostra esperienza, ma il punto è che senza uno di noi, niente di tutto questo sarebbe successo, " ha detto Pochan. "Senza strutture, come il Keck Microscopy Lab di UD, il Centro di BioImaging presso il Delaware Biotechnology Institute, e il nostro rapporto con il NIST e il Centro per la ricerca sui neutroni, questo tipo di lavoro non accadrebbe".

Il futuro dei bundler

Prossimo, il team mira a rendere i bundlemer più accessibili, più facile da sintetizzare, e scalabile.

Gli scienziati di tutto il mondo potrebbero utilizzare i bundlemer per affrontare un'ampia varietà di grandi sfide nel campo dell'ingegneria. "Questi sono strumenti che chiunque può usare, che tu sia un chimico, ingegnere, o fisico, " ha detto Pochan. "È persino difficile pensare a un materiale equivalente o a uno strumento sperimentale ampiamente utilizzato dalle persone. È come una cassetta degli attrezzi per chiunque possa progettare cose future".