Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno ideato un metodo per creare piccole particelle sicure per i tessuti viventi che consentirà loro di creare nuove forme attraenti per la somministrazione di farmaci, diagnostica e ingegneria dei tessuti.

I risultati appaiono online il 12 marzo sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Con nient'altro che un po' di calore e luce, possiamo creare delle microparticelle piuttosto bizzarre, " ha detto Stefan Roberts, uno scienziato ricercatore di ingegneria biomedica alla Duke. "La tecnica è abbastanza semplice da poter essere scalata per produrre miliardi di microparticelle in pochi minuti".

Nel mondo delle microparticelle biocompatibili, forma, dimensione, la microstruttura interna e il tipo di materiale ne determinano le proprietà intrinseche. Sebbene le aziende e i laboratori di ricerca possano già fabbricare molte microparticelle complesse, il processo di solito prevede tecniche di produzione sofisticate come la microfluidica a emulsione multipla o la litografia a flusso. Entrambi hanno i loro svantaggi.

La microfluidica a emulsione multipla controlla tediosamente una serie di singole goccioline di olio, ma fatica a mantenere i materiali completamente separati l'uno dall'altro e non possono essere utilizzati per la produzione su larga scala. La litografia a flusso fa brillare la luce attraverso una maschera modellata per incidere forme in materiali morbidi e può creare molte particelle in breve tempo, ma il processo è difficile da adattare a forme complicate e architetture interne.

Lavorando con Ashutosh Chilkoti, il Professore distinto di ingegneria biomedica di Alan L. Kaganov alla Duke, Roberts ha deciso di provare un approccio completamente nuovo:i materiali biologici. La coppia di ricercatori ha una storia di lavoro con polipeptidi simili all'elastina (ELP), che sono proteine ​​disordinate che, proprio come una palla di spaghetti, derivano la loro stabilità dal caos e non hanno una vera forma. Più recentemente, il team ha iniziato a lavorare con proteine ​​parzialmente ordinate (POP), che conservano molte delle proprietà biologicamente utili degli ELP, ma hanno abbastanza segmenti ordinati per fornire una maggiore stabilità rispetto ai noodles bagnati.

Entrambi i tipi di proteine ​​possono essere progettati per spostarsi avanti e indietro tra gli stati di fase a determinate temperature. Sebbene questa sia una caratteristica utile per applicazioni come il rilascio lento di farmaci nel corpo o il supporto della crescita dei tessuti nelle ferite, i ricercatori hanno presto scoperto che potevano anche creare varie forme di particelle mettendo insieme ELP e POP.

"Le proteine ​​disordinate sono un argomento scottante in biologia, con molti ricercatori che cercano di scoprire come le proteine ​​senza forma possano ancora avere uno scopo biologico, " ha detto Roberts. "Una corrente sotterranea del nostro lavoro è invece pensare a queste proteine ​​come farebbe uno scienziato dei materiali e vedere se possiamo ingegnerizzarle per le nostre funzioni biologiche in modi che non possono essere raggiunti con i materiali attuali".

Nella carta, Roberts e Chilkoti dimostrano alcune nuove microparticelle realizzate con questi due tipi di proteine. Modificando le temperature a cui si assemblano e smontano, e spazzando avanti e indietro attraverso una gamma di temperature a varie velocità, i ricercatori dimostrano di essere in grado di creare una serie di forme come una conchiglia con un nucleo solido, un guscio senza nucleo, e un groviglio di corde punteggiate di conchiglie che chiamavano "frutti su una vite". Quindi, incorporando amminoacidi fotosensibili, mostrano che possono congelare queste forme in microparticelle solide con un lampo di luce.

I ricercatori affermano che la capacità di creare microparticelle con regioni separate con precisione è rilevante per applicazioni come la somministrazione di farmaci e l'ingegneria dei tessuti.

Ogni set di parametri crea simultaneamente milioni di solidi, microparticelle biocompatibili leggermente più grandi di una cellula media. Ci vogliono solo pochi minuti, e tutto avviene in un volume di liquido delle dimensioni di una goccia d'acqua.

"Questo è un banco di prova per un tipo di materiale che è abbastanza flessibile e semplice da creare sia forme comunemente usate che architetture che non si vedono usando le tecniche attuali, " ha affermato Roberts. "Stiamo utilizzando nuovi materiali biocompatibili per creare forme mai viste prima semplicemente riscaldando, raffreddandoli e illuminandoli."