Figura 1. Schema del meccanismo ipotizzato:il polimero (blu) e la sostanza cristallizzante (verde) competono per il solvente condiviso (grigio). Quando il flusso di taglio è assente (a sinistra), la quantità di solvente sufficiente per solvatare il polimero entangled è inferiore a quella per solvatare il polimero districato dal flusso di taglio (a destra). Il polimero districante "ruba" questo solvente aggiuntivo dalle molecole della sostanza cristallizzante, facendo sì che queste molecole si leghino al cristallo vicino (la freccia viola in entrambi i pannelli indica la stessa particella). Le frecce arancioni illustrano il campo vettoriale della velocità del fluido nel caso di un flusso di taglio medio. Credito:illustre professor Bartosz Grzybowski, UNIST
Il processo di esame approfondito delle caratteristiche dei candidati farmaci è essenziale per ottenere approvazioni istituzionali di nuovi farmaci per i quali sono richiesti dati cristallografici di alta qualità. Infatti, la crescita di grandi cristalli di buona qualità da varie sostanze ha uno scopo particolare per tali processi e analisi. Uno studio recente, affiliato con l'UNIST ha introdotto un nuovo metodo di crescita dei cristalli, che migliora la crescita dei cristalli 10 volte più velocemente della media.
Un gruppo di ricerca congiunto internazionale guidato dal Distinguished Professor Bartosz Grzybowski (Scuola di Scienze Naturali) ha dimostrato che in presenza di polimeri (preferibilmente, liquidi poliionici), cristalli di vario tipo crescono nei comuni solventi, a temperatura costante, molto più grande e molto più veloce quando viene mescolato, piuttosto che stare fermo. Questo ribalta l'idea che i disturbi meccanici, come urtare, vorticoso, o vibrazioni, interferire con la produzione di cristalli grandi e di buona qualità.
Il metodo di cristallizzazione inizia tipicamente con la formazione di cristalli di semi di alta qualità che verranno utilizzati per far crescere grandi cristalli singoli. Così, la produzione di cristalli di buona qualità di dimensioni adeguate è la fase più importante dell'intero processo della struttura cristallina. Per ottenere più rapidamente cristalli di dimensioni adeguate e di buona qualità, è importante facilitare la maturazione di Ostwald, il processo di dissoluzione di particelle più piccole e la crescita di particelle più grandi a spese delle particelle più piccole. È risaputo che il disturbo meccanico del vaso di crescita dei cristalli può provocare un gran numero di cristalli molto piccoli, invece di un piccolo numero di grandi. Questo, poi, ostacola la crescita di grandi cristalli singoli.
Figura 2. Crescita potenziata da taglio di cristalli di TA in presenza di un polimero ionico. Credito:illustre professor Bartosz Grzybowski, UNIST
Però, il team di ricerca ha osservato un fenomeno opposto nella soluzione di crescita, contenenti liquidi poliionici. Si pensa generalmente che la crescita di grandi cristalli sia possibile solo in soluzione indisturbata, e così l'ottenimento di grandi cristalli mediante vigorosa agitazione sembrava anormale. Ulteriori indagini hanno mostrato che in presenza di liquidi poliionici, l'agitazione potrebbe aumentare la crescita di cristalli da varie sostanze, comprese diverse molecole organiche, sali inorganici, complessi metallo-organici, e alcune proteine.
Per capire meglio il meccanismo, il team di ricerca ha eseguito una serie di esperimenti di cristallizzazione con l'applicazione di un metodo di agitazione alla soluzione di crescita, contenente liquido poliionico. I loro risultati hanno mostrato che la velocità con cui la dimensione media dei cristalli cresceva nel tempo era almeno un ordine di grandezza più veloce dei tassi tipici di maturazione di Ostwald. Oltretutto, la velocità di crescita era proporzionale alla velocità di agitazione e alla lunghezza delle molecole della catena polimerica.
In totale sono state testate circa 20 diverse sostanze, producendo cristalli molto più velocemente rispetto ai metodi di crescita dei cristalli convenzionali. "È importante che rispetto ai cristalli cresciuti convenzionalmente, questa accelerazione di crescita effettuata mediante agitazione in presenza di liquido poliionico non era dannosa per la qualità del cristallo, come valutato dalla qualità cristallografica dei modelli di diffrazione dei raggi X, " secondo il gruppo di ricerca. I loro risultati hanno ricevuto notevole attenzione da parte di accademici, come meccanismo per promuovere la cristallizzazione attraverso un nuovo fenomeno fisico piuttosto che l'attuale maturazione di Ostwald.
"Questo sistema chiuso, la cristallizzazione a temperatura costante guidata dal taglio potrebbe essere una preziosa aggiunta al repertorio delle tecniche di crescita dei cristalli, consentendo una crescita accelerata dei cristalli richiesti dai materiali e dalle industrie farmaceutiche, " afferma il distinto professor Grzybowski.
