I gel sono materiali presenti in molti prodotti di uso quotidiano come shampoo, filtri solari e gelatina alimentare tra molti altri. Sono formati da miscele in cui grandi quantità di liquido, di solito acqua, sono confinati all'interno di una rete flessibile di catene polimeriche o particelle colloidali. Tra i diversi tipi di gel, tutti con proprietà e applicazioni diverse, i nanogel sono particelle polimeriche reticolate di dimensioni sub-micrometriche che possono trasportare o incorporare macromolecole nella loro struttura a rete. Questa proprietà, insieme al loro carattere "morbido" e alla capacità di introdurre caratteristiche di risposta agli stimoli, significa che hanno molte applicazioni interessanti, anche all'interno dei prodotti farmaceutici, in particolare la somministrazione di farmaci. Un nuovo studio pubblicato su Nanoscale da un team internazionale di scienziati della Queen Mary University di Londra e dell'Institut Laue-Langiven fornisce importanti informazioni mancanti sul comportamento dei nanogel alle interfacce, e può portare a un percorso di somministrazione del farmaco più paziente e facile da usare rispetto ai metodi attuali.
I nanogel a base di NIPAM (N-isopropilacrilammide) sono considerati materiali "intelligenti" o "commutabili" poiché subiscono una transizione di fase a una temperatura critica vicina a quella della temperatura fisiologica - la normale temperatura umana di 37° C. Ciò significa che hanno il potenziale come veicolo intelligente per la somministrazione di farmaci in cui il rilascio di un agente attivo o di un farmaco può essere attivato da variazioni di temperatura. Questo può essere utilizzato per semplice contatto, Per esempio, nei sistemi di somministrazione transdermica attraverso la nostra pelle. Lo sviluppo di tali sistemi basati su polimeri richiede una migliore comprensione della complessa struttura dinamica di tali nanomateriali e attualmente mancano dati sperimentali su come questi materiali si comportano effettivamente alle interfacce.
I neutroni sono lo strumento ideale per studiare la struttura microscopica dei nanogel, aiutando così a capire come le loro proprietà possono essere controllate. In particolare, La riflettometria neutronica è la tecnica di elezione per lo studio delle superfici e delle interfacce. Come tale, il riflettometro ILL FIGARO è stato scelto come principale piattaforma sperimentale per questo studio.
Il team QMUL-ILL ha utilizzato nanogel a base di NIPAM sintetizzati con diverse percentuali di MBA (N, N′-metilenbisacrilammide) come reticolante nell'intervallo 10-30%, e li caratterizzava alla temperatura fisiologica umana. Gli studi strutturali dettagliati di questi sistemi su una scala di lunghezza molecolare non sono stati tentati prima d'ora.
In questo lavoro, è stato dimostrato che un grande cambiamento conformazionale per i nanogel si verifica all'interfaccia aria/acqua. Il modello a tre strati è stato trovato per descrivere questi sistemi in superficie; un primo strato collassato densamente a contatto con l'aria, un secondo strato di polimero solvatato e un terzo strato di catene polimeriche diffuse che si estendono nella soluzione in massa. Questo studio fornisce anche la prima prova sperimentale dei cambiamenti strutturali dei nanogel in funzione del grado di reticolazione all'interfaccia aria/acqua.
All'aumentare della percentuale di reticolante incorporato nei nanogel, sono state ottenute matrici più rigide ed è aumentata la quantità di nanogel adsorbiti. La natura di non equilibrio di questi sistemi significa che non è possibile applicare una normale analisi della tensione superficiale per stimare la quantità in corrispondenza di un'interfaccia. Invece le misurazioni della riflettività dei neutroni con variazione di contrasto isotopico forniscono un mezzo sensibile per determinare la quantità assorbita. Consente inoltre di seguire nel tempo i cambiamenti nella frazione di volume dei nanogel all'interfaccia man mano che una quantità sempre maggiore di materiale raggiunge l'interfaccia. La tecnica evidenzia anche i cambiamenti nella conformazione che è importante nel mettere in relazione la struttura con la funzione per questa classe di materiali. Poiché le interazioni dei neutroni variano in modo irregolare con i numeri atomici (cioè diversi isotopi), la tecnica consente di evidenziare diversi aspetti della struttura mediante sostituzione isotropa. L'analisi delle misure registrate nei diversi contrasti isotopici porta alla risoluzione di strutture complesse.
FIGARO è un riflettometro a neutroni presso l'ILL ottimizzato per misurazioni su superfici liquide libere. È uno strumento versatile, che nei suoi sei anni dalla messa in servizio ha già generato più di 70 pubblicazioni peer reviewed. Ha una configurazione ad alta intensità per misurazioni dinamiche mentre i materiali si assemblano alle interfacce, che è stato sfruttato in questa ricerca, così come la capacità di registrare dati su un'ampia gamma dinamica necessaria per risolvere strutture interfacciali diffuse.
Il dottor Richard Campbell, il primo scienziato responsabile dell'ILL sullo strumento FIGARO, ha dichiarato:"Le misurazioni della tensione superficiale sono più sensibili al materiale assemblato proprio sulla superficie dell'aria, mentre il potere penetrante della riflettività dei neutroni si traduce in sensibilità a strutture più diffuse. Questo studio strutturale è stato possibile grazie alla capacità di effettuare misurazioni veloci della dinamica assemblaggio interfacciale e misurazioni più dettagliate per accedere alle strutture diffuse presenti nei nanogel utilizzando una configurazione ottimizzata ad alta intensità di FIGARO".
La riflettività dei neutroni e i profili della frazione di volume possono essere visti nella figura. Sono mostrate tre regioni distinte della struttura superficiale rispetto alla profondità. Vi è un primo strato a contatto con l'aria piuttosto denso con una frazione di volume di circa il 60% seguito da due strati più diffusi progressivamente. interessante, il contenuto di acqua nel primo strato aumenta con la quantità di MBA - questo può essere attribuito a una riduzione della capacità di cambiare conformazione (e quindi respingere l'acqua dalla rete polimerica) dei gel con un grado di reticolazione più elevato.
I dati strutturali suggeriscono anche un ampio riarrangiamento della conformazione delle particelle di nanogel all'interfaccia durante il processo di adsorbimento, con conseguente deformazione strutturale - il grado di deformazione diminuisce con l'aumentare della percentuale di reticolante. Sebbene le differenze nelle conformazioni tra la massa e l'interfaccia liquido/liquido per i microgel a base di NIPAM siano state precedentemente ipotizzate, questo studio è il primo a fornire prove di supporto sperimentale.
Il dottor Ali Zarbakhsh, della Scuola di Scienze Biologiche e Chimiche di QMUL ha dichiarato:"I dati presentati forniscono importanti informazioni mancanti sul comportamento delle particelle di gel alle interfacce. Riteniamo che possano portare al raggiungimento del razionale, progettazione intelligente di nuovi materiali per applicazioni specifiche. La nostra ricerca, combinato con le conoscenze acquisite da ulteriori studi sui sistemi correlati in futuro, può portare a una piattaforma promettente che ha le caratteristiche di una via di somministrazione dei farmaci più paziente e user-friendly rispetto alle attuali alternative".
