Una classe versatile di flessibili, i polimeri simili alle proteine ​​potrebbero far avanzare in modo significativo i futuri metodi di somministrazione dei farmaci. Ma prima, gli scienziati devono sviluppare un processo affidabile per adattare questi polimeri in forme che possano trasportare efficacemente i medicinali in tutto il corpo umano.

Donghui Zhang, professore di chimica alla Louisiana State University, è presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) per risolvere questo problema. Il suo obiettivo è quello di saperne di più sull'autoassemblaggio guidato dalla cristallizzazione, una tecnica per formare materiali solidi su scala nanometrica da soluzioni polimeriche. Nello specifico, vuole capire meglio come questa tecnica potrebbe essere utilizzata per creare nanostrutture a forma controllata da polimeri noti come polipeptoidi. Questi polimeri sono particolarmente adatti a navigare nel complicato ecosistema del corpo umano, e se Zhang riesce a trovare un modo efficace per modellarli in strutture specifiche per compiti, potrebbe essere in grado di offrire agli ingegneri e ad altri ricercatori un migliore accesso a un nuovo materiale entusiasmante. La sua ricerca è pubblicata sulla rivista macromolecole .

"Sappiamo che è possibile creare queste nanostrutture da polipeptoidi, ma ci sono molti aspetti di questo processo che rimangono poco compresi. Vorremmo saperne di più in modo che altri scienziati possano accedere più facilmente a questi materiali, " disse Zhang.

Zhang spiega che l'autoassemblaggio guidato dalla cristallizzazione descrive un processo in cui i polimeri disciolti in soluzione si assemblano lentamente in strutture nanoscopiche più rigide mentre quella soluzione viene raffreddata al di sotto del suo punto di cristallizzazione. A seconda della forma e delle dimensioni esatte di queste strutture cristallizzate, possono quindi essere utilizzati per compiere una serie di missioni mediche che coinvolgono cose come l'incapsulamento di farmaci e il lento rilascio di farmaci nel flusso sanguigno.

"Questi polimeri possono assemblarsi in un'ampia varietà di forme. Fibre, canne, e fogli bidimensionali sono tutti possibili risultati dell'autoassemblaggio guidato dalla cristallizzazione, e ciascuna di queste forme può essere utilizzata per uno scopo diverso, " disse Zhang.

Il problema, lei spiega, sta prevedendo esattamente quali forme appariranno una volta che il polimero si cristallizzerà in soluzione. Alcune forme sono più preziose di altre. In particolare, nanobarre e nanofibrille unidimensionali realizzate con polipeptoidi sono veicoli eccellenti per alcuni farmaci antitumorali e possono sopravvivere nel flusso sanguigno per lunghi periodi di tempo. Zhang vuole comprendere meglio i meccanismi alla base dell'autoassemblaggio guidato dalla cristallizzazione in modo da poter affinare il processo e produrre queste forme utili con maggiore regolarità.

"Per massimizzare l'efficacia di questo materiale, dobbiamo assicurarci che possieda una morfologia su misura, il che significa che deve essere qualcosa che possiamo sintetizzare in forme e dimensioni specifiche, " disse Zhang.

Per saperne di più sull'autoassemblaggio guidato dalla cristallizzazione e su come potrebbe essere utilizzato per produrre nanostrutture su misura da polipeptoidi, Zhang ha utilizzato una combinazione di neutroni e diffusione di raggi X per studiare campioni polipeptoidi sospesi in soluzione.

Zhang ha fornito risorse all'ORNL del DOE e al Brookhaven National Laboratory (BNL) attraverso un nuovo programma di accesso congiunto per lo scattering di neutroni a piccolo angolo (SANS) e lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS). Il programma accelera notevolmente il processo di ricerca e aumenta la velocità con cui gli scienziati possono pubblicare le loro scoperte consentendo loro di richiedere il tempo del fascio in entrambe le strutture attraverso un'unica proposta, con accesso allo strumento Bio-SANS presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR) dell'ORNL. e lo strumento Bio-SAXS (LiX) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di BNL. Infatti, il documento Macromolecules è la prima pubblicazione proveniente dalla partnership SAXS-SANS.

I neutroni sono particolarmente sensibili agli elementi leggeri come l'idrogeno, mentre i raggi X sono più sensibili agli elementi più pesanti. Di conseguenza, diverse caratteristiche strutturali degli assemblaggi molecolari sono state evidenziate utilizzando SANS o SAXS. Per esempio, i dati SANS sono stati fondamentali per determinare la forma esterna degli elementi costitutivi della struttura, mentre la spaziatura o la disposizione atomica interna della struttura non avrebbe potuto essere determinata senza i dati a raggi X. L'analisi combinata di entrambi i dati ha fornito un quadro più affidabile e completo delle informazioni strutturali degli assemblaggi molecolari.

Bio-SANS può sondare la materia su un'ampia gamma di scale di lunghezza, il che significa che Zhang è in grado di generare dati sia sulle caratteristiche minuscole delle strutture nanoscopiche di questi materiali sia sui sistemi più grandi che determinano come la struttura di questi materiali si è organizzata in un singolo esperimento.

"Possiamo osservare le nanostrutture polimeriche più complesse che emergono dalle soluzioni polimeriche in tempo reale utilizzando SAXS, che ci fornisce un eccellente corpo di conoscenze su come questi materiali si assemblano durante la cristallizzazione, " disse Zhang.

"Lo scattering di neutroni a piccolo angolo e lo scattering di raggi X a piccolo angolo si completano a vicenda, quindi se li combini, puoi ottenere un quadro più completo della struttura del tuo campione. Mi è piaciuto molto questo accesso congiunto a SANS a ORNL e SAXS a BNL, e penso che sarà una grande risorsa per i ricercatori che cercano di saperne di più sui sistemi materiali".

Lo scienziato dello strumento ORNL Shuo Qian ha aggiunto, "Qualsiasi scienziato potrebbe trarre vantaggio da questo programma. Con una proposta, puoi accedere ad entrambe le strutture. Questa è una rara opportunità per i ricercatori di ottenere un'abbondanza di dati diversi".

Zhang spera che la sua ricerca aiuterà altri scienziati a impiegare l'autoassemblaggio guidato dalla cristallizzazione per creare in modo efficiente nuovi tipi di materiali da polipeptoidi e altri polimeri promettenti.

"Queste nanostrutture potrebbero essere utili per migliorare una serie di importanti procedure mediche, e il nostro obiettivo è generare ricerche che permettano ai colleghi di sintetizzare questi materiali in modo più efficace, " disse Zhang.

Misure complementari a raggi X sono state effettuate presso l'Advanced Photon Source (APS) dell'Argonne National Laboratory e la High Energy Synchrotron Source della Cornell University.