Uma classe versátil de flexível, polímeros semelhantes a proteínas podem avançar significativamente nos métodos de entrega de drogas futuras. Mas primeiro, os cientistas precisam desenvolver um processo confiável para adaptar esses polímeros em formas que possam transportar medicamentos de maneira eficaz por todo o corpo humano.

Donghui Zhang, um professor de química na Louisiana State University, está no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para resolver esse problema. Seu objetivo é aprender mais sobre a automontagem impulsionada pela cristalização, uma técnica para formar materiais sólidos em nanoescala a partir de soluções poliméricas. Especificamente, ela quer entender melhor como essa técnica pode ser usada para criar nanoestruturas de forma controlada a partir de polímeros conhecidos como polipeptóides. Esses polímeros são particularmente bons para navegar no complicado ecossistema do corpo humano, e se Zhang puder encontrar uma maneira eficaz de moldá-los em estruturas específicas para tarefas, ela pode dar aos engenheiros e outros pesquisadores melhor acesso a um novo material empolgante. Sua pesquisa foi publicada na revista Macro moléculas .

"Sabemos que é possível criar essas nanoestruturas a partir de polipeptóides, mas há muitos aspectos desse processo que permanecem mal compreendidos. Gostaríamos de aprender mais sobre isso para que outros cientistas possam acessar esses materiais com mais facilidade, "disse Zhang.

Zhang explica que a automontagem orientada por cristalização descreve um processo no qual polímeros dissolvidos em solução lentamente se montam em estruturas nanoscópicas mais rígidas à medida que a solução é resfriada abaixo de seu ponto de cristalização. Dependendo da forma e dimensões exatas dessas estruturas cristalizadas, eles podem então ser usados ​​para realizar uma série de missões médicas envolvendo coisas como o encapsulamento de drogas e a liberação lenta de medicamentos na corrente sanguínea.

"Esses polímeros podem se montar em uma ampla variedade de formas. Fibras, varas, e folhas bidimensionais são todos resultados possíveis da automontagem orientada por cristalização, e cada uma dessas formas pode ser usada para servir a um propósito diferente, "disse Zhang.

O problema, Ela explica, está prevendo exatamente quais formas aparecerão quando o polímero cristalizar em solução. Algumas formas são mais valiosas do que outras. Em particular, nanobastões e nanofibrilas unidimensionais criadas a partir de polipeptóides são veículos excelentes para certos medicamentos anticâncer e podem sobreviver na corrente sanguínea por longos períodos de tempo. Zhang quer entender melhor os mecanismos por trás da automontagem impulsionada pela cristalização para que possa aprimorar o processo e produzir essas formas úteis com maior regularidade.

“Para maximizar a eficácia deste material, precisamos garantir que possui uma morfologia adaptável, o que significa que deve ser algo que possamos sintetizar em formas e tamanhos específicos, "disse Zhang.

Para saber mais sobre a automontagem impulsionada pela cristalização e como ela pode ser usada para produzir nanoestruturas personalizadas a partir de polipeptóides, Zhang usou uma combinação de espalhamento de nêutrons e raios-X para estudar amostras polipeptoides suspensas em solução.

Zhang forneceu recursos ao ORNL do DOE e ao Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) por meio de um novo programa de acesso conjunto para espalhamento de nêutrons de baixo ângulo (SANS) e espalhamento de raios-X de baixo ângulo (SAXS). O programa acelera muito o processo de pesquisa e aumenta a velocidade na qual os cientistas podem publicar suas descobertas, permitindo que solicitem o tempo do feixe em ambas as instalações por meio de uma única proposta - com acesso ao instrumento Bio-SANS no High Flux Isotope Reactor (HFIR) do ORNL e o instrumento Bio-SAXS (LiX) na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) do BNL. Na verdade, o papel da Macromolecules é a primeira publicação da parceria SAXS-SANS.

Os nêutrons são particularmente sensíveis aos elementos leves, como o hidrogênio, enquanto os raios X são mais sensíveis a elementos mais pesados. Como resultado, diferentes características estruturais dos conjuntos moleculares foram destacadas usando SANS ou SAXS. Por exemplo, os dados do SANS eram essenciais para determinar a forma externa dos blocos de construção da estrutura, enquanto o espaçamento ou arranjo atômico interno da estrutura não poderia ter sido determinado sem os dados de raios-X. A análise combinada de ambos os dados forneceu um quadro mais confiável e completo das informações estruturais dos conjuntos moleculares.

Bio-SANS pode sondar a matéria em uma ampla gama de escalas de comprimento, o que significa que Zhang é capaz de gerar dados sobre as características mínimas das estruturas nanoscópicas desses materiais e os sistemas maiores que determinam como a estrutura desses materiais se organiza em um único experimento.

"Podemos observar as nanoestruturas poliméricas mais complexas emergindo das soluções poliméricas em tempo real usando SAXS, que nos fornece um excelente corpo de conhecimento sobre como esses materiais se montam durante a cristalização, "disse Zhang.

"O espalhamento de nêutrons de baixo ângulo e o espalhamento de raios-X de baixo ângulo realmente se complementam, então, se você combiná-los, você pode obter uma imagem mais completa da estrutura de sua amostra. Eu realmente gostei deste acesso conjunto a SANS no ORNL e SAXS no BNL, e acho que será um grande trunfo para pesquisadores que procuram aprender mais sobre sistemas de materiais. "

O cientista do instrumento ORNL Shuo Qian acrescentou, "Qualquer cientista pode se beneficiar com este programa. Com uma proposta, você pode acessar ambas as instalações. Essa é uma oportunidade rara para os pesquisadores obterem uma abundância de dados diferentes. "

Zhang espera que sua pesquisa ajude outros cientistas a empregar a automontagem impulsionada pela cristalização para criar com eficiência novos tipos de materiais a partir de polipeptóides e outros polímeros promissores.

"Essas nanoestruturas podem ser úteis para melhorar uma série de procedimentos médicos importantes, e nosso objetivo é gerar pesquisas que permitam aos colegas sintetizar esses materiais de forma mais eficaz, "disse Zhang.

Medições complementares de raios-X foram feitas na Fonte Avançada de Fótons (APS) do Laboratório Nacional de Argonne e na Fonte Síncrotron de Alta Energia da Cornell University.