XFEL europeu revela segredos de um importante nanogel

Acima de 32 °C, o PNIPAm muda de um estado hidrofílico para um estado hidrofóbico. Como consequência, as partículas de nanogel mudam rapidamente de tamanho, expelindo água. Crédito:Felix Lehmkühler

Uma equipe internacional do maior laser de raios X europeu XFEL do mundo, em Schenefeld, perto de Hamburgo, examinou as propriedades de um importante nanogel que é frequentemente usado na medicina para liberar medicamentos de maneira direcionada e controlada no local desejado do corpo do paciente. A equipe já publicou os resultados na revista Science Advances .

Os pesquisadores investigaram o inchaço e o colapso induzidos pela temperatura do polímero poli-N-isopropilacrilamida (PNIPAM) no XFEL europeu em Schenefeld, perto de Hamburgo. Devido às suas mudanças dinâmicas, o PNIPAm é frequentemente utilizado na medicina, por ex. para entrega de medicamentos, engenharia de tecidos ou sensoria.

O PNIPAm é normalmente dissolvido em água. Acima de uma certa temperatura, a chamada temperatura crítica inferior da solução (LCST), que é de cerca de 32 °C, ela muda de um estado hidrofílico, que gosta de água, para um estado hidrofóbico e repelente à água. Como consequência, as partículas de nanogel, investigadas por Lehmkühler e colaboradores, mudam rapidamente de tamanho acima dessa temperatura, expelindo água.

Esse recurso é útil para uma variedade de aplicações, incluindo a liberação controlada de medicamentos no corpo de um paciente, como sistema modelo para proteínas e na engenharia de tecidos, no cultivo de tecidos orgânicos para aplicações médicas ou como sensores de temperatura biocompatíveis.

No entanto, tem sido muito difícil até agora observar experimentalmente essas rápidas transições de fase e, portanto, otimizá-las para diferentes aplicações. Portanto, a caracterização precisa da cinética das alterações do polímero PNIPAM com a temperatura ainda é um tema de pesquisa ativo.

Agora, a sequência rápida de pulsos de raios X do XFEL europeu permitiu aos pesquisadores investigar as mudanças rápidas e dependentes da temperatura no nanogel PNIPAm usando uma técnica chamada Espectroscopia de Correlação de Fótons de Raios X (XPCS).

"Devido à alta taxa de repetição do XFEL europeu, podemos realizar essas medições com resolução de tempo alta o suficiente para seguir a estrutura e o movimento dos nanogéis", diz Johannes Möller, cientista de instrumentos do instrumento Materials Imaging and Dynamics (MID) de XFEL europeu. Os pesquisadores estudaram partículas de cerca de 100 nanômetros. Os pulsos de raios X foram usados tanto para aquecer as nanopartículas quanto para medir suas mudanças estruturais através de sua dinâmica, ou seja, seu movimento na água circundante.

“Com a ajuda dos dados obtidos no XFEL europeu, conseguimos agora compreender melhor o inchaço e o colapso do polímero”, diz Felix Lehmkühler, um dos líderes da equipe.

“Em contraste com estudos anteriores, que se limitaram a medições indiretas da cinética de inchaço ou colapso, descobrimos que o nanogel encolhe significativamente mais rápido na faixa de 100 nanossegundos, mas leva duas a três ordens de magnitude mais tempo para inchar”, explica Lehmkuhler. Os resultados podem ajudar os pesquisadores a compreender e melhorar ainda mais as características do polímero para diferentes aplicações, como o desenvolvimento de sistemas de distribuição de medicamentos mais eficientes.

Mais informações: Francesco Dallari et al, Cinética de inchaço-colapso em tempo real de nanogéis impulsionados por pulsos XFEL, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adm7876
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela European XFEL GmbH

Pesquisadores estabelecem novos padrões para nanopartículas, ajudando pacientes com esclerose múltipla, ELA e doença de Parkinson

Desenvolvimento de semicondutores orgânicos com elétrons ultrarrápidos

Nanotecnologia