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Neutrons探索生物医学材料的新型聚合物性能

一类灵活的,类似于蛋白质的多用途聚合物可以极大地促进未来的药物递送方法。但是首先,科学家必须开发一种可靠的方法来将这些聚合物定制为可以有效地将药物运送到整个人体的形状。

路易斯安那州立大学化学教授张东辉现在能源部(DOE)的橡树岭国家实验室(ORNL)解决该问题。她的目标是学习更多有关结晶驱动的自组装的知识,这是一种由聚合物溶液形成纳米级固体材料的技术。特别是,她想更好地了解该技术如何用于从称为多肽类的聚合物中制备可控形状的纳米结构。这些聚合物特别擅长人体导航复杂的生态系统,如果Zhang可以找到一种有效的方法将它们塑造成特定于任务的结构,那么她也许可以使工程师和其他研究人员更好地使用令人兴奋的新材料。她的研究发表在《高分子》杂志上。

张说:“我们知道可以从类肽中创建这些纳米结构,但是这个过程的许多方面仍然鲜为人知。我们想了解更多,以便其他科学家可以更轻松地访问这些材料。”

张解释说,结晶驱动的自组装描述了一个过程,其中当溶液冷却到其结晶点以下时,溶解在溶液中的聚合物会缓慢地将自身组装成更刚性的纳米结构。根据这些结晶结构的确切形状和尺寸,它们可以用于完成许多医疗任务,包括药物封装和药物缓慢释放到血液中。

“这些聚合物可以将自己组装成各种各样的形状。纤维,棒和二维片材都是结晶驱动的自组装的所有可能结果,每种形状都可以用于不同的目的,”他说。张

她解释说,问题在于精确地预测了一旦聚合物在溶液中结晶,哪种形状将会出现。有些形状比其他形状更有价值。特别是,由类肽制成的纳米棒和一维纳米原纤维是某些抗癌药物的极佳载体,可以在血液中长期存活。Zhang希望更好地了解结晶驱动的自组装背后的机制,以便她可以磨练过程并以更大的规律性生产这些有用的形状。

张说:“为了使这种材料的有效性最大化,我们需要确保其具有可定制的形态,这意味着必须将其合成为特定的形状和尺寸。”

为了了解更多有关结晶驱动的自组装以及如何将其用于从类肽制备定制纳米结构的更多信息,Zhang使用中子散射和X射线散射相结合的方法研究了悬浮在溶液中的类肽样品。

通过新的小角中子散射(SANS)和小角X射线散射(SAXS)联合访问计划,张被提供给了DOE的ORNL和布鲁克海文国家实验室(BNL )。该计划极大地加快了研究过程,并加快了科学家发表发现的速度,方法是允许他们通过一个提案就两个设施的射束时间提出要求,并且可以使用ORNL的高通量同位素反应堆(HFIR)的Bio-SANS仪器以及BNL国家同步加速器光源II(NSLS-II)的Bio-SAXS(LiX)仪器。实际上,大分子论文是SAXS-SANS合作伙伴关系的第一本出版物。

中子对轻元素(例如氢)特别敏感,而X射线对重元素更敏感。结果,使用SANS或SAXS突出显示了分子组件的不同结构特征。例如,SANS数据对于确定结构构件的外部形状至关重要,而没有X射线数据就无法确定结构的内部原子间距或排列。两种数据的组合分析为分子组装体的结构信息提供了更加可靠和完整的图像。

Bio-SANS可以在广泛的长度范围内探测物质,这意味着Zhang能够生成有关这些材料的纳米结构的微小特征以及指示这些材料如何在单个实验中组织的较大系统的数据。

张说:“我们可以使用SAXS实时观察聚合物溶液中出现的更复杂的聚合物纳米结构,这为我们提供了有关这些材料在结晶过程中如何组装的出色知识。”

“小角中子散射和小角X射线散射真正地互补,因此,如果将它们组合在一起,就可以更完整地了解样品的结构。我真的很喜欢ORNL和SAXS共同访问SANS。 BNL,我认为这对于希望了解更多有关材料系统的研究人员将是一笔巨大的财富。”

ORNL的仪器科学家Shuo Qian补充说:“任何科学家都可以从该程序中受益。有了一个建议,您就可以访问这两种设施。这对于研究人员来说是难得的机会,可以获取大量不同的数据。”

张希望她的研究将帮助其他科学家利用结晶驱动的自组装技术,有效地从类肽和其他有前途的聚合物中创造出新的材料。

张说:“这些纳米结构可能有助于改善许多重要的医疗程序,我们的目标是开展研究,使同事们能够更有效地合成这些材料。”

互补的X射线测量是在阿贡国家实验室的高级光子源(APS)和康奈尔大学的高能同步加速器源中进行的。

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