Os cientistas têm procurado maneiras de desenvolver materiais que sejam tão dinâmicos quanto os seres vivos, com a capacidade de mudar de forma, mover e alterar propriedades reversivelmente.

Agora, com a natureza como sua inspiração, Os cientistas da Northwestern University desenvolveram materiais moles que se auto-montam de forma autônoma em superestruturas moleculares e se desmontam notavelmente sob demanda, mudando as propriedades dos materiais e abrindo a porta para novos materiais em aplicações que variam de sensores e robótica a novos sistemas de entrega de drogas e ferramentas para regeneração de tecidos.

Os novos materiais altamente dinâmicos formam hidrogéis e também forneceram pistas biológicas inesperadas sobre o microambiente cerebral após lesão ou doença, quando suas superestruturas revelaram fenótipos reversíveis em células cerebrais características de tecido cerebral lesionado ou saudável.

"Estamos acostumados a pensar nos materiais como tendo um conjunto estático de propriedades, "disse Samuel I. Stupp, co-autor correspondente do artigo. "Demonstramos que podemos criar materiais sintéticos altamente dinâmicos que podem se transformar por meio da formação de superestruturas e podem fazer isso de forma reversível sob demanda, que é um verdadeiro avanço com implicações profundas. "

Os resultados são divulgados hoje (4 de outubro) no jornal Ciência . Stupp é diretor do Simpson Querrey Institute da Northwestern e professor de Ciência e Engenharia de Materiais do Conselho de Curadores, Química, Medicina e Engenharia Biomédica. Erik Luijten, Professor e Catedrático de Ciência e Engenharia de Materiais e Ciências da Engenharia e Matemática Aplicada, é autor co-correspondente.

Para criar o material, Stupp e seu colega de pós-doutorado Ronit Freeman, agora um professor associado da Universidade da Carolina do Norte, Chapel Hill, desenvolveu algumas moléculas compostas por peptídeos (compostos de aminoácidos) e outras compostas por peptídeos e DNA. Quando colocados juntos, esses dois tipos de moléculas co-montados para formar filamentos em nanoescala solúveis em água.

Quando os filamentos contendo sequências de DNA complementares que poderiam formar hélices duplas foram misturados, as moléculas contendo DNA projetadas para criar hélices duplas "saltaram" de seus filamentos para organizar as superestruturas complexas únicas, deixando para trás as moléculas sem DNA para formar filamentos simples.

As superestruturas de DNA, contendo milhões de moléculas, Pareciam feixes de filamentos retorcidos que atingiam dimensões da ordem de mícrons tanto em comprimento quanto em largura. O material resultante era inicialmente um hidrogel macio, que se tornou mecanicamente mais rígido à medida que as superestruturas se formaram. As estruturas eram hierárquicas - o que significa que continham estruturas ordenadas em diferentes escalas de tamanho. A natureza faz isso muito bem - osso, músculo e madeira são materiais hierárquicos - mas tais estruturas são muito difíceis de alcançar em materiais sintéticos.

Melhor ainda, os pesquisadores descobriram que, quando adicionaram uma molécula de DNA simples que poderia interromper os filamentos de interconexão das hélices duplas nas superestruturas, os pacotes se desfizeram, e o material voltou à sua estrutura inicial simples e ao estado mais macio. Outro tipo de molécula poderia então ser usado para reformar os materiais mais rígidos que contêm superestruturas. Esse tipo de reversibilidade nunca havia sido alcançado antes.

Para entender melhor como esse processo funcionou, Stupp conectado com Luijten, um cientista de materiais computacionais. Luijten, com seu aluno de graduação Ming Han, desenvolveram simulações que ajudaram a explicar a mecânica por trás de como e por que os feixes se formavam e se retorciam. Em tais simulações, Han e Luijten poderiam examinar como cada parte das moléculas projetadas poderia governar a criação das superestruturas. Após extensa computação - cada cálculo demorava semanas no supercomputador Quest da Northwestern - eles descobriram que as moléculas não precisavam de DNA para se agrupar, mas podiam ser formadas em princípio por muitos outros pares de moléculas com estruturas químicas que interagem fortemente entre si.

"Com base em nossa compreensão do mecanismo, previmos que apenas cargas positivas e negativas na superfície dos filamentos seriam suficientes, "Luijten disse. Isso significava que tais superestruturas poderiam ser criadas sem a presença de DNA, em um material totalmente sintético.

Stupp e seus membros de laboratório criaram o mesmo material usando apenas peptídeos em vez de DNA. Quando os pesquisadores usaram peptídeos com cargas opostas em uma arquitetura específica que imita a complementaridade do DNA, eles descobriram que se auto-montavam em superestruturas que também eram reversíveis quando as cargas eram neutralizadas.

Os usos potenciais desses materiais se expandem para a medicina e além. Uma terapia complexa com proteínas, anticorpos, drogas, até mesmo genes, podem ser armazenados nas superestruturas e liberados no corpo sob demanda, à medida que as estruturas hierárquicas desaparecem. Os cientistas também podem pesquisar novos materiais em que as superestruturas reversíveis levem a mudanças na eletrônica, propriedades ópticas ou mecânicas, or even color and light emission, Stupp said.

"Now that we know this is possible, other scientists can use their imagination and design new molecules in search of these new 'dynamic' materials that reorganize internally on demand to change properties, " ele disse.

The new materials also led the researchers to a biological discovery. They took astrocytes—cells in the brain and spinal cord associated with neurons—and placed them on the new materials. Astrocytes are important because when the brain or the spinal cord are injured or diseased, they acquire a specific shape known as the "reactive phenotype" and produce scars that are dense fibrous networks. In the healthy brain, astrocytes have a "naïve phenotype" and a different shape.

Interessantemente, when the researchers placed astrocytes on the material with only simple filaments, the astrocytes had a naïve phenotype, but when the superstructures formed they became reactive. They then reverted back to the naïve phenotype when the hierarchical structure disassembled. This discovery linked the architecture of the cell's microenvironment to these critical changes of phenotype in injury and disease of the central nervous system.

Biologists recently discovered that it was possible to revert these reactive astrocytes to their naïve state by transplanting them into healthy subjects who do not have injuries, but Stupp and his collaborators found the new material triggers these phenotype transformations in brain cells.

"The cell responded to the structure of the material in its environment, " Stupp said. "It gives us new ideas on how to undo the scars in injured or diseased brain and spinal cord."