Результаты появятся в Интернете 12 марта в журнале Nature Communications.
«С помощью всего лишь небольшого количества тепла и света мы можем создать довольно причудливые микрочастицы», – сказал Стефан Робертс, ученый-исследователь в области биомедицинской инженерии в Duke. "Техника достаточно проста, чтобы ее можно было расширить до миллиардов микрочастиц за считанные минуты."
В мире биосовместимых микрочастиц форма, размер, внутренняя микроструктура и тип материала определяют их внутренние свойства. Хотя компании и исследовательские лаборатории уже могут изготавливать множество сложных микрочастиц, этот процесс обычно включает сложные производственные технологии, такие как микрожидкостная технология с несколькими эмульсиями или проточная литография.
У обоих есть свои недостатки.
Микрожидкостные системы с множественной эмульсией утомительно контролируют серию отдельных капель масла, но изо всех сил пытаются сохранить материалы полностью отделенными друг от друга и не могут использоваться для крупномасштабного производства. Поточная литография пропускает свет через узорчатую маску для травления форм в мягких материалах и может создавать множество частиц в короткие сроки, но этот процесс трудно адаптировать к сложным формам и внутренней архитектуре.
Работа с Ашутошем Чилкоти, Аланом Л. Каганов, заслуженный профессор биомедицинской инженерии в Duke, Робертс решил попробовать совершенно новый подход – биологические материалы.
Исследовательская пара имеет опыт работы с эластиноподобными полипептидами (ELP), которые представляют собой неупорядоченные белки, которые, как клубок спагетти, получают свою стабильность из хаоса и не имеют истинной формы. Совсем недавно команда начала работать с частично упорядоченными белками (POP), которые сохраняют многие из биологически полезных свойств ELP, но имеют достаточно упорядоченных сегментов, чтобы обеспечить большую стабильность, чем влажная лапша.
Оба типа белков могут быть сконструированы для переключения между фазовыми состояниями при определенных температурах. Хотя это полезная функция для таких приложений, как медленное высвобождение лекарств в организм или поддержка роста тканей в ранах, исследователи вскоре обнаружили, что они также могут создавать частицы различной формы, объединяя ELP и POP.
«Неупорядоченные белки – горячая тема в биологии, и многие исследователи пытаются выяснить, как белки без формы могут иметь биологическое назначение», – сказал Робертс. «Подспудное направление нашей работы состоит в том, чтобы вместо этого думать об этих белках так, как это сделал бы ученый-материаловед, и посмотреть, сможем ли мы сконструировать их для наших собственных биологических функций способами, которые не могут быть достигнуты с использованием современных материалов."
В статье Робертс и Чилкоти демонстрируют некоторые новые микрочастицы, созданные с использованием этих двух типов белков. Настраивая температуры, при которых они собираются и разбираются, и перемещаясь вперед и назад через диапазон температур с разной скоростью, исследователи показывают, что они могут создавать набор форм, таких как оболочка с твердым сердечником, оболочка с твердым сердечником. без сердцевины, и путаница шнуров, усеянных ракушками, которые они назвали "плоды на лозе"."Затем, включив светочувствительные аминокислоты, они показали, что могут замораживать эти формы в твердые микрочастицы со вспышкой света.
Исследователи говорят, что возможность создавать микрочастицы с точно разделенными областями актуальна для таких приложений, как доставка лекарств и тканевая инженерия.
Каждый набор параметров одновременно создает миллионы твердых биосовместимых микрочастиц размером чуть больше средней клетки. Это займет всего несколько минут, и все это происходит в объеме жидкости размером с каплю воды.
«Это тестовый пример для типа материала, который является достаточно гибким и простым, чтобы создавать как часто используемые формы, так и архитектуры, которые нельзя увидеть с использованием современных технологий», – сказал Робертс. "Мы используем новые биосовместимые материалы, чтобы создавать невиданные ранее формы, просто нагревая, охлаждая и освещая их светом."
Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (R35GM127042) и Исследовательским треугольником MRSEC Национального научного фонда (DMR-11-21107), Центром аналитических приборов в Государственном университете Северной Каролины (ECCS-1542015) и Программой стипендий для аспирантов (1106401).