Press "Enter" to skip to content

Innovative biokompatible Mikropartikel, die mit nichts anderem als Wärme und Licht erzeugt werden

Neue Mikropartikelformen

Mit Mischungen aus POPs (grün) und ELPs (blau) können verschiedene neue Mikropartikelarchitekturen erstellt werden, darunter poröse Partikel (links) und „Früchte am Rebstock“ -Netzwerke (rechts). Bildnachweis: Stefan Roberts, Duke University

Durch innovative Herstellungstechniken können neue Arten von Mikropartikeln für Anwendungen wie Arzneimittelabgabe, Diagnostik und Tissue Engineering hergestellt werden.

Biomedizinische Ingenieure an der Duke University haben eine Methode zur Herstellung kleiner Partikel entwickelt, die für lebendes Gewebe unbedenklich sind und es ihnen ermöglichen, neue Formen zu schaffen, die für die Arzneimittelabgabe, Diagnostik und Tissue Engineering attraktiv sind.

Die Ergebnisse erscheinen online am 12. März 2020 in der Zeitschrift Naturkommunikation.

“Mit nichts mehr als etwas Wärme und Licht können wir einige ziemlich bizarre Mikropartikel herstellen”, sagte Stefan Roberts, ein Wissenschaftler für biomedizinische Technik bei Duke. “Die Technik ist so einfach, dass sie in wenigen Minuten auf Milliarden von Mikropartikeln skaliert werden kann.”

In der Welt der biokompatiblen Mikropartikel bestimmen Form, Größe, innere Mikrostruktur und Art des Materials ihre intrinsischen Eigenschaften. Obwohl Unternehmen und Forschungslabors bereits viele komplexe Mikropartikel herstellen können, umfasst das Verfahren normalerweise ausgefeilte Herstellungstechniken wie Mikrofluidik mit mehreren Emulsionen oder Fließlithographie. Beide haben ihre Nachteile.

Mikropartikelformen

Mit Mischungen aus POPs (grün) und ELPs (blau) können verschiedene neue Mikropartikelarchitekturen erstellt werden, darunter Core-Shell-Netzwerke (links) und einzelne hohle „vesikelartige“ Partikel (rechts). Bildnachweis: Stefan Roberts, Duke University

Die Mikrofluidik mit mehreren Emulsionen kontrolliert mühsam eine Reihe einzelner Öltröpfchen, hat jedoch Schwierigkeiten, die Materialien vollständig voneinander zu trennen, und kann nicht für die Produktion in großem Maßstab verwendet werden. Die Strömungslithographie strahlt Licht durch eine gemusterte Maske, um Formen in weichen Materialien zu ätzen, und kann viele Partikel in kurzer Zeit erzeugen. Der Prozess ist jedoch schwierig an komplizierte Formen und interne Architekturen anzupassen.

In Zusammenarbeit mit Ashutosh Chilkoti, dem angesehenen Professor für Biomedizinische Technik von Alan L. Kaganov bei Duke, machte sich Roberts daran, einen völlig neuen Ansatz auszuprobieren – biologische Materialien. Das Forschungspaar hat in der Vergangenheit mit elastinähnlichen Polypeptiden (ELPs) gearbeitet, bei denen es sich um ungeordnete Proteine ​​handelt, die ähnlich wie ein Spaghetti-Ball ihre Stabilität aus dem Chaos ableiten und keine echte Form haben. In jüngerer Zeit begann das Team mit teilweise geordneten Proteinen (POPs) zu arbeiten, die viele der biologisch nützlichen Eigenschaften der ELPs beibehalten, aber genügend geordnete Segmente aufweisen, um mehr Stabilität als feuchte Nudeln zu bieten.

Beide Arten von Proteinen können so konstruiert werden, dass sie bei bestimmten Temperaturen zwischen den Phasenzuständen hin und her wechseln. Während dies ein nützliches Merkmal für Anwendungen wie die langsame Freisetzung von Arzneimitteln in den Körper oder die Unterstützung des Gewebewachstums in Wunden ist, stellten die Forscher bald fest, dass sie durch Zusammenfügen von ELPs und POPs auch verschiedene Partikelformen erzeugen können.

Einzelne poröse POP-Mikropartikel

Eine Nahaufnahme eines einzelnen porösen POP-Mikropartikels aus einem Rasterelektronenmikroskop. Bildnachweis: Stefan Roberts, Duke University

“Ungeordnete Proteine ​​sind ein heißes Thema in der Biologie. Viele Forscher versuchen herauszufinden, wie Proteine ​​ohne Form immer noch einen biologischen Zweck haben können”, sagte Roberts. “Eine Unterströmung unserer Arbeit besteht darin, diese Proteine ​​stattdessen als Materialwissenschaftler zu betrachten und zu prüfen, ob wir sie für unsere eigenen biologischen Funktionen auf eine Weise konstruieren können, die mit aktuellen Materialien nicht erreicht werden kann.”

In der Arbeit zeigen Roberts und Chilkoti einige neue Mikropartikel, die mit diesen beiden Arten von Proteinen hergestellt wurden. Durch die Anpassung der Temperaturen, bei denen sie zusammen- und auseinandergebaut werden, und das Hin- und Herbewegen durch einen Temperaturbereich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zeigen die Forscher, dass sie in der Lage sind, eine Reihe von Formen zu erstellen, z. B. eine Schale mit einem festen Kern, eine Schale mit kein Kern und ein Gewirr von Schnüren mit Muscheln, die sie “Früchte an einem Weinstock” nannten. Dann durch Einbeziehen von lichtempfindlichem

Aminosäuren sind eine Reihe von organischen Verbindungen, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden. Es gibt ungefähr 500 natürlich vorkommende bekannte Aminosäuren, obwohl nur 20 im genetischen Code vorkommen. Proteine ​​bestehen aus einer oder mehreren Ketten von Aminosäuren, die als Polypeptide bezeichnet werden. Die Sequenz der Aminosäurekette bewirkt, dass sich das Polypeptid in eine biologisch aktive Form faltet. Die Aminosäuresequenzen von Proteinen sind in den Genen kodiert. Neun proteinogene Aminosäuren werden als “essentiell” für den Menschen bezeichnet, da sie vom menschlichen Körper nicht aus anderen Verbindungen hergestellt werden können und daher als Nahrung aufgenommen werden müssen.

“class =” glossaryLink “> Aminosäurenzeigen sie, dass sie diese Formen mit einem Lichtblitz zu festen Mikropartikeln einfrieren können.

Die Forscher sagen, dass die Fähigkeit, Mikropartikel mit genau getrennten Regionen zu erzeugen, für Anwendungen wie die Arzneimittelabgabe und das Tissue Engineering relevant ist.

Jeder Parametersatz erzeugt gleichzeitig Millionen fester, biokompatibler Mikropartikel, die etwas größer als eine durchschnittliche Zelle sind. Es dauert nur ein paar Minuten und alles geschieht in einem Flüssigkeitsvolumen von der Größe eines Wassertropfens.

“Dies ist ein Testfall für eine Art von Material, das flexibel und einfach genug ist, um sowohl häufig verwendete Formen als auch Architekturen zu erstellen, die mit aktuellen Techniken nicht gesehen werden können”, sagte Roberts. “Wir verwenden neue biokompatible Materialien, um nie zuvor gesehene Formen zu erzeugen, indem wir sie einfach erhitzen, kühlen und beleuchten.”

Referenz: „Komplexe Mikropartikelarchitekturen aus auf Reize ansprechenden intrinsisch gestörten Proteinen“ von Stefan Roberts, Vincent Miao, Simone Costa, Joseph Simon, Garrett Kelly, Tejank Shah, Stefan Zauscher und Ashutosh Chilkoti, 12. März 2020, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038 / s41467-020-15128-9

Diese Forschung wurde von den National Institutes of Health (R35GM127042) und dem Forschungsdreieck MRSEC (DMR-11-21107) der National Science Foundation, der Einrichtung für analytische Instrumente an der NC State University (ECCS-1542015) und dem Graduate Research Fellowship Program (1106401) unterstützt.