Новые формы наноразмерных «структурных элементов»

Исследователи из Университета Делавэра и Университета Вашингтона в Сент-Луисе нашли способ обучения молекул синтетических полимеров технике самой настоящей «самосборки» и формирования длинных многокомпонентных цилиндров, которые в 1000 раз тоньше человеческого волоса, и которые могут потенциально использоваться в радиологии, связи и доставке терапевтических лекарственных препаратов к различным участкам человеческого организма.

 Об этом открытии, которое представляет собой новый фундаментальный инструмент в области нанотехнологий, сообщается в августовском номере престижного журнала Science.
Дэррин Почан, доцент материаловедения и инжиниринга материалов Университета Делавэра, и Карен Вули, заслуженный профессор Джеймса С. Макдоннела в области гуманитарных и технических наук Университета Вашингтона в Сент-Луисе, возглавили работу исследовательского коллектива. Исследование проводилось за счет гранта Национального Научного фонда для Междисциплинарного коллектива по наноразмерным исследованиям (NIRT).

Дэррин Почан, доцент материаловедения и инжиниринга материалов Университета Делавэра.

Основным объектом исследований были блок-сополимеры, которые представляют собой синтетические молекулы, содержащие два или более химически различных сегмента, связанных в единое целое. Блок-сополимеры используются для производства целого ряда материалов, таких как пластики, резиновые подошвы для обуви, и, кроме того, в последнее время из них начали изготавливать переносные запоминающие устройства («флэш-накопители») для компьютеров.
«Блок-сополимер представляет собой длинноцепочечную молекулу, единица длины которой, или структурный элемент (блок), отличается в химическом плане от другого», - говорит Почан. – «В нашем случае, мы взяли один элемент, который любит воду, и другой, который ее не любит. Поэтому, когда их помещают в раствор, те блоки, которые не любят воду, стараются находиться как можно дальше от нее, и, таким образом, можно получить самые разнообразные формы, которые называются мицеллами».
Система, которую использовали ученые, состояла из три-блок-сополимера, составленного из полиакриловой кислоты, полиметилакрилата и полистирола, введенных в раствор тетрагидрофурана и воды, а также органических диаминов. Сама технология основана на способности двухвалентных органических противоположно заряженных ионов и растворяющих смесей заставлять блок-сополимеры организовываться по специальным схемам, создавая специфические змеевидные одномерные структуры.
Большая часть исследований проводилась с использованием микроскопов высокой мощности на Факультете Электронной Микроскопии Технического колледжа Университета Делавэра. Помощь исследовательскому коллективу оказывал техник Фрэнк Крисс.
Вули, которая является специалистом в области химии полимеров, и Почан, специалист по материаловедению, встречались на научно-исследовательских конференциях и обсуждали перспективы своих проектов. Она занималась проектированием мицелл сферической формы для использования при доставке лекарственных препаратов и в радиологии, однако, она заметила, что при различных условиях раствора у ее студентов получаются различные формы.

Изображения одномерных сборных структур, созданных исследовательским коллективом из Университетов Делавэра и Вашингтона в Сент-Луисе с помощью трансмиссионной просвечивающей электронной микроскопии.

Несмотря на то, что их лаборатории располагаются на расстоянии почти в 1500 км друг от друга, ученые утверждают, что их исследовательская работа была «прекрасным синергетическим сотрудничеством».
«В мире нанотехнологической самосборки необычайно заманчиво создать что-либо, что имеет не шарообразную форму», - отмечает Почан. - «Если ввести маленькие шарики с лекарственным препаратом в кровоток, органы человеческого организма и иммунная система избавятся от них в течение примерно суток. Если поместить молекулы в длинные и гибкие цилиндры, они могут оставаться в организме неделями», - замечает Почан.
По словам Почана, изменение формы мицелл позволяет доставлять лекарственный препарат в человеческом организме на протяжении длительного периода времени, потенциально обеспечивая отложенную доставку введенного одной инъекцией лекарственного препарата при химиотерапии.
«Заменив форму шара формой цилиндра, вы можете предположительно доставить два, или три, или четыре различных лекарственных препарата, введенных с помощью одной инъекции, в различные части организма: один в один участок, а другие в другие участки, и все с помощью одной самосборки», - говорит Почан.
Хотя исследования еще далеки от практических применений, открытия, сделанные коллективом, позволили получить новую фундаментальную технологию построения наноструктур «снизу вверх».

«Все это касается простого конструирования материалов и наноструктур», - говорит Почан. «Основной целью является проектирование молекул со всеми правилами и всей информацией, которая им нужна для того, чтобы образовать нужную вам форму и размер. Затем вы бросаете их в воду и смотрите, что из этого получится, надеясь, что это будет требуемая сложная наноструктура».
Забавно, но, когда Почан заканчивал аспирантуру много лет назад, он считал, что он покончил с блок-сополимерам.
«Я сейчас работаю на основе того, что сделано в годы аспирантуры в девяностых по каучукам и пластмассам», - рассказывает он. – «Тем не менее, если смотреть на блок-сополимеры как средства самосборки, то можно найти значительно больше потенциальных применений, чем у каучука, для багажника или пластмассовых напольных покрытий», - отмечает Почан.
«Мы можем использовать те же самые молекулы, но выстраивать их по-другому, так, чтобы получить что-нибудь полезное из области высоких технологий», - говорит он. «Примечательно, как возвращается мода на исследования, и новые применения находятся для «старых инструментов».

Трейси Брайнт, Университет Делавэра
http://www.omnexus.com