Автор AZoNano 8 января 2021 г.

Химики разработали наноматериал, который они могут вызывать для изменения формы – от плоских листов к трубкам и обратно к листам – контролируемым образом.

Журнал Американского химического общества опубликовал описание наноматериала, который был разработан в Университете Эмори и имеет потенциал для ряда биомедицинских приложений, от доставки лекарств с контролируемым высвобождением до тканевой инженерии.

Наноматериал, который в форме листа в 10 000 раз тоньше человеческого волоса, изготовлен из синтетического коллагена. Встречающийся в природе коллаген – самый распространенный белок в организме человека, что делает новый материал внутренне биосовместимым.

«Никто раньше не создавал коллаген с изменяющими форму свойствами нашего наноматериала, », – говорит Винсент Контичелло, старший автор открытия и профессор биомолекулярной химии Эмори. «Мы можем преобразовать его из листов в пробирки и обратно, просто изменяя pH или концентрацию кислоты в окружающей среде».

Управление трансфера технологий Эмори подало заявку на предварительный патент на наноматериал.

Первыми авторами открытия являются Андреа Мерг, бывший научный сотрудник лаборатории Контичелло, которая сейчас работает в Калифорнийском университете в Мерседе, и Гэвин Тупонс, который работал в качестве студента Эмори и сейчас учится в медицинской школе. в Стэнфорде.

Работа была результатом сотрудничества Эмори и ученых из Аргоннской национальной лаборатории, Института Поля Шеррера в Виллигене, Швейцария, и Центра клеточной визуализации и наноаналитики в Университете Базеля.

Коллаген – это главный структурный белок соединительной ткани организма, такой как хрящи, кости, сухожилия, связки и кожа. Его также много в кровеносных сосудах, кишечнике, мышцах и других частях тела.

Коллаген, взятый у других млекопитающих, таких как свиньи, иногда используется для заживления ран и других медицинских целей у людей.

Лаборатория Контичелло – одна из нескольких десятков лабораторий по всему миру, специализирующихся на разработке синтетического коллагена, подходящего для применения в биомедицине и других сложных технологиях. Такие синтетические "дизайнерские" биоматериалы можно контролировать способами, которые невозможно контролировать с помощью природного коллагена.

«Еще 30 лет назад стало возможным контролировать последовательность коллагена», – говорит Контичелло. «Тем не менее, эта область действительно набрала обороты за последние 15 лет благодаря достижениям в кристаллографии и электронной микроскопии, которые позволяют нам лучше анализировать структуры в наномасштабе».

Разработка нового изменяющего форму наноматериала в Эмори была "случайной случайностью", – говорит Контичелло. «В этом был элемент удачи и элемент дизайна».

Белок коллагена состоит из тройной спирали волокон, которые обвивают друг друга как трехниточная веревка. Пряди не гибкие, они жесткие, как карандаши, и плотно упаковываются в кристаллический массив.

Лаборатория Контичелло работает с листами коллагена, которые она разработала в течение десяти лет. « Лист – это один большой двухмерный кристалл, но из-за того, как упаковывают пептиды, он похож на целую связку карандашей, связанных вместе», объясняет Контичелло.

«У половины карандашей в пачке концы карандашей направлены вверх, а у другой половины – конец ластика вверх».

Контичелло хотел попытаться усовершенствовать коллагеновые листы так, чтобы каждая сторона была ограничена одной функцией. Если продолжить аналогию с карандашом, то на одной поверхности листа будут все наконечники, а на другой – ластики.

Конечной целью было разработать коллагеновые листы, которые можно было бы интегрировать с медицинским устройством, сделав одну поверхность совместимой с устройством, а другую поверхность совместимой с функциональными белками в организме.

Однако, когда исследователи сконструировали эти отдельные типы поверхностей в отдельные коллагеновые листы, они были удивлены, узнав, что это заставляло эти листы скручиваться, как свитки.

Затем они обнаружили, что изменение формы было обратимым – они могли контролировать, был ли лист плоским или скрученным, просто изменяя pH раствора, в котором он находился.

Они также продемонстрировали, что могут настраивать листы для изменения формы при определенных уровнях pH таким образом, чтобы это можно было контролировать на молекулярном уровне с помощью дизайна.

«Особенно интересно то, что состояние, при котором происходит переход, является физиологическим состоянием, », – говорит Контичелло. «Это открывает возможность найти способ загрузить терапевтическое средство в коллагеновую трубку в контролируемых лабораторных условиях. Коллагеновая трубка может быть настроена на развертывание и высвобождение содержащихся в ней молекул лекарства после того, как они попадут в pH-среду человеческой клетки. "

Ученые Эмори, которые внесли свой вклад в измерение и определение характеристик нового наноматериала и являются соавторами статьи, включают профессора химии Брайан Дайер и Халид Салаита; аспиранты-химики Алисина Базрафшан и Хелен Сиав; и Артур МакКанна из Центра комплексной электронной микроскопии Роберта П. Апкариана

Соавторы из Института Пола Шеррера помогли охарактеризовать трехмерную структуру кристаллических ансамблей и провести дальнейший анализ наноматериала.

В их число входят Ян Питер Абрахамс, Торстен Блюм и Эрик ван Гендерен. Сяобин Цзо из Аргоннской национальной лаборатории также внес свой вклад в качестве соавтора проекта

Работа была поддержана средствами Национального научного фонда, Швейцарского национального научного фонда и Национальных институтов здравоохранения.

Источник: http://whsc.emory.edu/index.html