Un team internazionale presso il più grande laser a raggi X europeo XFEL del mondo a Schenefeld vicino ad Amburgo ha esaminato le proprietà di un importante nanogel che viene spesso utilizzato in medicina per rilasciare farmaci in modo mirato e controllato nella posizione desiderata nel corpo di un paziente. Il team ha ora pubblicato i risultati sulla rivista Science Advances .
I ricercatori hanno studiato il rigonfiamento e il collasso indotti dalla temperatura del polimero poli-N-isopropilacrilammide (PNIPAm) presso l'European XFEL a Schenefeld vicino ad Amburgo. A causa dei suoi cambiamenti dinamici, PNIPAm è spesso utilizzato in medicina, ad es. per la somministrazione di farmaci, l'ingegneria tissutale o la sensoristica.
PNIPAm è tipicamente disciolto in acqua. Al di sopra di una certa temperatura, la cosiddetta temperatura critica inferiore della soluzione (LCST), che è di circa 32 °C, si passa da uno stato idrofilo, amante dell’acqua, a uno stato idrofobo e idrorepellente. Di conseguenza, le particelle di nanogel, come studiato da Lehmkühler e collaboratori, cambiano rapidamente le loro dimensioni al di sopra di tale temperatura espellendo l'acqua.
Questa funzionalità è utile per una varietà di applicazioni, incluso il rilascio controllato di farmaci nel corpo di un paziente, come sistema modello per proteine e nell'ingegneria dei tessuti, la coltivazione di tessuti organici per applicazioni mediche o come sensori di temperatura biocompatibili.
Tuttavia, finora è stato molto difficile osservare sperimentalmente queste rapide transizioni di fase e quindi ottimizzarle per diverse applicazioni. Pertanto, la caratterizzazione precisa della cinetica dei cambiamenti del polimero PNIPAm con la temperatura è ancora un argomento di ricerca vivace.
Ora, la rapida sequenza di impulsi di raggi X provenienti dall'XFEL europeo ha consentito ai ricercatori di studiare i rapidi cambiamenti dipendenti dalla temperatura nel nanogel PNIPAm utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X (XPCS).
"Grazie all'elevato tasso di ripetizione dell'XFEL europeo, possiamo eseguire queste misurazioni con una risoluzione temporale sufficientemente elevata da seguire la struttura e il movimento dei nanogel", afferma Johannes Möller, scienziato strumentale presso lo strumento Materials Imaging and Dynamics (MID) di XFEL europeo. I ricercatori hanno studiato particelle di circa 100 nanometri. Gli impulsi di raggi X sono stati utilizzati sia per riscaldare le nanoparticelle sia per misurare i loro cambiamenti strutturali attraverso la loro dinamica, cioè il loro movimento nell'acqua circostante.
"Con l'aiuto dei dati ottenuti all'XFEL europeo, siamo ora in grado di comprendere meglio il rigonfiamento e il collasso del polimero", afferma Felix Lehmkühler, uno dei leader del team.
"A differenza degli studi precedenti, che si limitavano a misurazioni indirette della cinetica di rigonfiamento o collasso, abbiamo scoperto che il nanogel si restringe significativamente più velocemente nell'ordine di 100 nanosecondi, ma impiega da due a tre ordini di grandezza in più per gonfiarsi", spiega Lehmkühler. I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a comprendere e migliorare ulteriormente le caratteristiche del polimero per diverse applicazioni, come lo sviluppo di sistemi di somministrazione di farmaci più efficienti.
Ulteriori informazioni: Francesco Dallari et al, Cinetica di rigonfiamento-collasso in tempo reale di nanogel guidati da impulsi XFEL, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adm7876
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
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