Udviklet "smart" supramolekylært materiale, der kollapser over tid • Arkady Kuramshin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Kemi, Materialevidenskab

Udviklet “smart” supramolekylært materiale, sammenfaldende over tid

Fig. 1. Ændring af tilstanden af ​​en "smart" supramolekylær gel med tiden. Til kontrast blev polyacrylamidgel placeret på en sort overflade, og fotografier blev taget med hvid sidebelysning. Det supramolekylære materiale blev formet til logoet ved Technical University of Munich (TUM). Efter 600 minutter blev den oprindelige form af materialet fuldstændigt tabt på grund af dets ødelæggelse, så materialet blev vasket fra produkterne af kemisk brændstofdestruktion, en frisk portion brændstof blev tilsat, hvilket resulterede i, at TUM-logoet blev dannet igen. Skala længde – 1 cm. Figur fra den diskuterede artikel iNaturkommunikation

Forskere fra Tyskland har udviklet "smart" supramolekylært materiale, som kan programmeres til selvmontering og selvdestruktion. Dette materiale organiserer selv, når det bruger kemisk brændstof og ødelægges med en hastighed, der kan justeres. I fremtiden kan sådanne materialer være nyttige til målrettet lægemiddellevering – en beholder fra den kan desintegreres til det rigtige tidspunkt på det rette sted i kroppen og frigive det farmakologisk aktive stof.

For nylig bliver "smarte" materialer (smarte materialer), hvis egenskaber ændres forudsigeligt, når de udsættes for eksterne faktorer, mere og mere almindelige.Sådanne faktorer kan være mekanisk stress, elektriske eller magnetiske felter, temperatur, lys, fugtighed eller surhed af miljøet. Ideelt set bør ændringen i egenskaber af et smart materiale være reversibel, og en sådan cyklus skal kunne gentages mange gange.

Med "smarte" materialer indgår:

  • selvhelende materialer, der kan "helbrede" de mangler der opstår i dem;
  • legeringer med formhukommelse, produkter hvorfra som følge af opvarmning kan genoprette deres oprindelige form efter deformation;
  • Selvsmørende materialer, der reducerer friktion eller slitage;
  • selvrensende materialer, der kan afstøde vand, organiske væsker og andre forurenende stoffer;
  • selvdestruerende materialer, der kan gå i stykker enten i kontakt med kemiske stoffer eller efter en vis tid.

Anvendelsen af ​​nanoteknologi gør det muligt at udvikle "intelligente" supramolekylære materialer, såsom det stærkt elastiske materiale, der er skabt af franske kemikere, der kan "limes sammen" ved stuetemperatur, blot trykke to fragmenter sammen uden at bruge yderligere reagenser og uden opvarmning (P. Cordier et al., 2008.Selvhelende og termoreversibel gummi fra supramolekylær montage).

Supramolekylære materialer består af molekylære byggesten, der er sammenkoblet med ioniske kemiske eller intermolekylære (for eksempel hydrogen) bindinger – mindre holdbare end kovalente. Det skyldes netop dannelsen af ​​hydrogenbindinger, at defekterne i selvregenererende supramolekylære polymerer er "trukket ud". Et eksempel på supramolekylære materialer er biologisk aktive hydrogeler – net, der består af kæder af naturlige eller syntetiske polymerer, der har en høj affinitet for vand og som følge heraf aktivt absorberer vand (vandindholdet i en hydrogel kan nå op til 90%).

Supramolekylære hydrogeler, der ændrer deres egenskaber som reaktion på udsættelse for synligt eller ultraviolet lys, enzymer eller surhed i miljøet, har allerede fundet anvendelse på mange områder i vores dagligdag: kontaktlinser er fremstillet af hydrogeler, hydrogeler kan bruges som et middel til at akkumulere vand i jorden til indendørs brug. eller prydplanter vokser.

På trods af sådanne indlysende fremskridt, især de eksisterende supramolekylære systemer og hydrogeler,væsentligt ringere end de naturlige supramolekylære systemer i evnen til at tilpasse sig miljøforholdene og arbejde offline. Faktum er, at supramolekylære hydrogeler skabt af mennesket hidtil er dannet som et resultat af en interaktion, der ikke spontant kan strømme i modsat retning, og efter at en sådan hydrogel selvorganiserer, forbliver den stabil, og for dens ødelæggelse er det nødvendigt at indføre et nyt reagens. I nogle tilfælde er det slet ikke dårligt, men for nogle områder, primært for biomedicin, er der brug for supramolekylære systemer, som selvorganiserende kan så langsomt falde sammen. Af sådanne materialer vil det f.eks. Være muligt at bygge mikrocontainere indeholdende et farmakologisk aktivt stof, som kunne falde sammen et stykke tid efter at være blevet indført i kroppen og frigive dets indhold.

På samme tid er supramolekylære materialer af naturlig oprindelse, for hvilken sådan stabilitet er ukarakteristisk, kendt. De eksisterer i en tilstand tæt på ligevægtspositionen "selvmonteringsdestruktion", som skifter i den ene eller den anden retning afhængigt af koncentrationen af ​​"brændstof" biokemiske reaktioner, for eksempel adenosintrifosfat (ATP) molekyler.En sådan reversibel selvmontering-demontering sikrer for eksempel driften af ​​cytoskeletale proteiner, hvilket sikrer cellens strukturelle integritet og dets evne til at bevæge sig. En ændring i koncentrationen af ​​ATP holder disse proteiner i en tilstand med konstant dynamisk overgang fra "samlet" til "adskilt" form og vice versa. Hvis selvmontering af cytoskeletale proteiner i det supramolekylære system var irreversibel, ville de have taget den mest gunstige form med hensyn til energi og cellebevægelse ville simpelthen være umuligt (Bartosz A. Grzybowski et al., 2009. Selvmontering: fra krystaller til celler).

Det kan siges at kunstige supramolekylære materialer dannes under termodynamiske kontrolforhold (molekyler – byggesten er irreversibelt samlet i det mest stabile ensemble), og naturlige styres af kinetisk kontrol (det supramolekylære system kan reversibelt samles / ødelægges afhængigt af koncentrationen af ​​visse stoffer i reaktionsblandingen). Efter at have studeret egenskaberne af naturlige materialer skabte forskere fra Job Boekhoven-gruppen (Job Boekhoven) fra Technische Universität München (TUM) en syntetisk hydrogel, der eksisterer under kinetisk kontrol, og er i stand til ikke alene selvmontering, men også spontan ødelæggelse (figur 2 ).

Fig. 2. Skema for dannelse og selvdestruktion af det supramolekylære system. Kemisk brændsel til selvorganisering – carbodiimid – tilsættes til en transparent polyacrylamidhydrogel, hvori dicarboxylater opløses. Uklarhed observeres kun, hvor der er brændstof til stede, og når det indtages, bliver hydrogelen gennemsigtig igen. Figur fra den diskuterede artikel i Naturkommunikation

Som udgangsmaterialer i det supramolekylære system blev aminosyre- eller peptidderivater indeholdende to carboxylatgrupper -COO anvendt. (Dicarboxylater). Under påvirkning af kemiske brændstofcarbodiimider (forbindelser indeholdende fragmentet -N = C = N-) omdannes dicarboxylater til anhydrider, som på grund af en af ​​de typer af intermolekylære interaktioner – hydrofob interaktioner selvorganiserer til tværbundne netværksstrukturer. Som et medium til dannelsen af ​​sådanne maskestrukturer anvendte forskerne en gennemsigtig polyacrylamidhydrogel. Efter at carbodiimidbrændstoffet er forbrugt, omdannes irreversibelt til urinstofderivater, hydrolyseres anhydriderne ved hjælp af vandet indeholdt i hydrogelen, hvilket resulterer i, at de oprindelige dicarboxylater regenereres, og den supramolekylære dannelse ødelægges (fig.3).

Fig. 3. Kemiske processer, der ligger til grund for dannelsen af ​​det supramolekylære netværk af aminosyreanhydrider. Figur fra den diskuterede artikel i Naturkommunikation

Dannelsen og ødelæggelse af en netlignende struktur kan styres ved at variere det kemiske indhold i brændstofsystemet, som tillader brug af anhydrider dannet supramolekylære mesh for at skabe en beholder, frigiver deres indhold på et fast tidspunkt. Dicarboxylater, der dannes ved hydrolyse af anhydrider, og ødelæggelsen af ​​supramolekylære gitter, kan konverteres tilbage til anhydrid: du behøver kun at tilføje de nye dele af carbodiimid brændstof.

I nano- og mikroskopisk niveau genereret danner supramolekylære systemer afhænger af strukturen af ​​de udgangsstoffer, reaktionsprodukterne af forskellige aminosyrer på strukturen stand til selv-organisere i sfæriske og tråd formationer, men ikke pålidelige skøn på forhånd strukturen af ​​en sådan dannelse, baseret på strukturen af ​​udgangsmaterialerne ikke er mulig. Forskere fra München demonstrerede evnerne i det nye system,ved hjælp af sfæriske supramolekylære strukturer til at skabe selvdestruktiv trykfarve, som de afbilder TUM-logoet i demonstrationseksperimentet, som langsomt kollapsede, indtil de helt forsvandt (se fig. 1 og video).

Demonstration af forsvinden af ​​"selvudslettende blæk" og deres regenerering

Resultaterne af tyske kemikers arbejde kan kaldes en sikker demonstration af muligheden for at opnå selvdestruerende supramolekylære strukturer af aminosyre eller peptidbaseret, forskellig i form og i levetid. Strukturer styres mere af kinetiske faktorer (koncentration af kemisk brændstof) i stedet for termodynamisk (stabilitet af selvmonteringsproduktet).

Forskningsresultater kan i øjeblikket ikke anvendes i biomedicin: carbodiimidbrændstoffer kan være involveret i uønskede reaktioner i kroppen (fx ved krydsbinding af proteiner med nukleinsyrer, se 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimid). Desuden blev dannelsen af ​​supramolekylært materiale undersøgt med en strengt defineret surhedsværdi (pH = 6), og det er endnu ikke klart, hvordan den studerede proces vil fortsætte med betydelige (og ubetydelige) udsving.Ikke desto mindre antages det, at erfaringerne med at skabe et nyt "smart" supramolekylært materiale vil være nyttige til opnåelse af mere komplekse biokompatible systemer, for hvilke kemiske materialer, som mere selektivt reagerer med forstadierne af det supramolekylære materiale end carbodiimider, vil blive anvendt som kemisk brændsel.

Kilde: Marta Tena-Solsona, Benedikt Rieß, Raphael K. Grötsch, Franziska C. Löhrer, Caren Wanzke, Benjamin Käsdorf, Andreas R. Bausch, Peter Müller-Buschbaum, Oliver Lieleg og Job Boekhoven. Ikke-ligevægtende dissipative supramolekylære materialer med en indstillelig levetidsliv // Naturkommunikation. 2017. DOI: 10,1038 / ncomms15895.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: