De pneus a roupas a shampoo, muitos produtos onipresentes são feitos com polímeros, moléculas semelhantes a grandes cadeias feitas de subunidades menores, chamados monômeros, ligados. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Delaware e da Universidade da Pensilvânia, com o apoio principal do Programa de Materiais Biomoleculares do Departamento de Energia dos EUA, criou uma nova unidade fundamental de polímeros que pode inaugurar uma nova era de descoberta de materiais.

Os pesquisadores projetaram e criaram rígidos, auto-montagem, cadeias de polímeros personalizáveis, ligando novos blocos de construção chamados bundlemers - um termo cunhado na UD. Recentemente, eles descreveram seu trabalho no jornal Natureza .

Para criar bundlemers, a equipe reúne quatro peptídeos individuais, em si mesmas cadeias curtas de aminoácidos, em cilindros nanoscópicos. Os cilindros do bundlemer são então ligados, juntos, de ponta a ponta, por meio de uma série altamente eficiente e controlada de reações químicas conhecidas como química do 'clique'. As cadeias de polímero resultantes são rígidas, moléculas semelhantes a bastonetes que são baseadas na biologia, mas não existem na natureza. As cadeias de bundlemer podem então ser modificadas com componentes como polímeros sintéticos ou nanopartículas inorgânicas para criar novos nanomateriais híbridos.

"Há uma premissa básica em materiais que, se você pode controlar a função e a estrutura, então você pode essencialmente construir qualquer coisa, "disse Chris Kloxin, autor do estudo e professor assistente de ciência e engenharia de materiais e engenharia química e biomolecular na UD. “Temos uma unidade estrutural muito bem definida, este bundlemer, no qual temos a capacidade de adicionar funcionalidade química em qualquer local. "

Devido à sua rigidez e personalização, bundlemers podem ser usados ​​para projetar novos materiais com uma ampla gama de aplicações, de fibras de alto desempenho a plásticos de uso único e produtos biológicos, medicamentos que empregam componentes biológicos em vez de produtos químicos tradicionais. Pesquisa e desenvolvimento biofarmacêutico é uma área crescente de especialização na Universidade de Delaware, casa do Instituto Nacional de Inovação na Fabricação de Biofarmacêuticos (NIIMBL).

A rigidez dos bundlemers também pode tornar esses materiais úteis como substitutos para materiais notoriamente fortes, como o aço em pontes, a seda em pára-quedas ou o Kevlar em coletes à prova de balas.

Praticamente todos os dias, co-autor Darrin Pochan, presidente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UD, e o Kloxin surgiu com um novo aplicativo a ser seguido - o suficiente para mantê-los e seus alunos ocupados por anos.

"Nossa ideia é que esses bundlemers realmente são blocos de construção em todos os sentidos da palavra, "disse Pochan." Vamos construir muitos, muitos materiais e tecnologias a partir desses blocos de construção. "

A equipe já solicitou uma patente e planeja registrar mais.

A origem dos bundlemers

Pochan e co-autor Jeffery Saven, professor de química da Universidade da Pensilvânia, colaboram desde 2012, quando eles receberam uma bolsa DMREF da National Science Foundation para estudar materiais de design. Kristi Kiick, Professor Ilustre Blue and Gold de Ciência e Engenharia de Materiais, também foi colaborador desse projeto.

O grupo de química computacional de Saven projeta e modela sequências de peptídeos específicas para identificar candidatos promissores para síntese e caracterização. "Nosso grupo está envolvido na concepção e identificação do que fazer, em seguida, modelar esses sistemas para tentar entender sua estabilidade, "Saven disse sobre o papel de seu grupo na colaboração.

Saven colabora em novos designs de moléculas com Pochan e agora Kloxin, que se juntou à colaboração mais tarde, onde eles discutem os prós e os contras de diferentes sequências de peptídeos e como criar da melhor forma um novo material com uma propriedade específica.

Então, na UD, Pochan e Kloxin fazem os materiais.

"É bom ter feedback sobre recursos importantes a serem incluídos nos cálculos, "disse Saven sobre a importância das discussões iterativas entre os grupos da UD e da Penn.

Disse Pochan:"Nós projetamos computacionalmente e, em seguida, criamos experimentalmente as moléculas para fazer a montagem nos blocos de construção do bundlemer, "disse Pochan." Não estamos limitados à caixa de ferramentas da natureza. "

Ainda, apesar do planejamento cuidadoso, os resultados experimentais iniciais surpreenderam Pochan e Kloxin - no bom sentido. Quando eles viram pela primeira vez as medições da rigidez da cadeia do bundlemer, eles presumiram que algo estava errado. Normalmente as cadeias de polímero são soltas e flexíveis como espaguete, mas os polímeros criados a partir de bundlemers são mais como longos, afinar, hastes resistentes.

"A rigidez foi bastante surpreendente e impressionante, "disse Pochan. Não foi um erro. Testes adicionais revelaram que os empacotadores têm uma rigidez por peso muito maior do que quase todos os outros polímeros, como polímeros sintéticos e DNA.

Depois de sintetizar bundlemers, a equipe de pesquisa caracterizou os materiais usando microscopia eletrônica de transmissão e microscopia eletrônica de transmissão criogênica no Centro Keck para Microscopia e Microanálise Avançada. Eles também confirmaram o tamanho e a estrutura dos bundlemers por meio de experimentos de espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo no NIST Center for Neutron Research, que tem um acordo de cooperação com a University of Delaware para o Center for Neutron Science.

Jeff Caplan, especialista em microscopia confocal e diretor de BioImaging no Delaware Biotechnology Institute, realizou imagens de microscopia óptica de reconstrução estocástica (STORM) para visualizar segmentos minúsculos dentro dos bundlemers. Caplan é coautor no Natureza papel.

Este projeto não teria sido possível sem a expertise complementar dos pesquisadores principais. Saven é excelente em cálculos e teoria. Kloxin é excelente em química de polímeros. Pochan se destaca na síntese e caracterização de materiais.

"Temos muitas coincidências com nossa experiência, mas a questão é que sem um de nós, nada disso teria acontecido, "disse Pochan." Sem instalações, como o Keck Microscopy Lab da UD, o BioImaging Center do Delaware Biotechnology Institute, e nosso relacionamento com o NIST e o Center for Neutron Research, esse tipo de trabalho não aconteceria. "

O futuro dos bundlemers

Próximo, a equipe tem como objetivo tornar os bundlemers mais acessíveis, mais fácil de sintetizar, e escalável.

Cientistas de todo o mundo podem usar bundlemers para abordar uma ampla variedade de grandes desafios em engenharia. "Estas são ferramentas para qualquer pessoa usar, se você é um químico, engenheiro, ou físico, "disse Pochan." É até difícil pensar em um material equivalente ou ferramenta experimental que as pessoas usam amplamente. É como uma caixa de ferramentas para qualquer pessoa projetar coisas futuras. "