Nanomateriali mutaforma con potenziale biomedico


Nanomateriali mutaforma con potenziale biomedico

I chimici hanno sviluppato un nanomateriale che possono innescare per modificare la forma, dai fogli piatti ai tubi e di nuovo ai fogli, in modo controllabile.

Il Journal of the American Chemical Society (1) ha pubblicato una descrizione del nanomateriale, che è stato sviluppato presso la Emory University e ha il potenziale per una gamma di applicazioni biomediche, dalla somministrazione di farmaci a rilascio controllato all'ingegneria dei tessuti.

Il nanomateriale, che sotto forma di fogli è 10.000 volte più sottile della larghezza di un capello umano, è costituito da collagene sintetico. Il collagene naturale è la proteina più abbondante negli esseri umani, rendendo il nuovo materiale intrinsecamente biocompatibile.

«Nessuno ha mai prodotto collagene con le proprietà di mutamento della forma del nostro nanomateriale», afferma il dottor Vincent Conticello, (2) autore senior della scoperta e professore di chimica biomolecolare all'Emory. «Possiamo convertirlo da fogli a tubi e viceversa semplicemente variando il pH, o concentrazione di acido, nel suo ambiente».

L'Emory Office of Technology Transfer ha richiesto un brevetto provvisorio per il nanomateriale.

I primi autori della scoperta sono la dottoressa Andrea Merg, (3) una ex borsista post-dottorato nel Conticello’s lab (4) che ora è alla University of California Merced, e Gavin Touponse, che ha svolto il lavoro come studente universitario Emory e ora frequenta la facoltà di medicina a Stanford. Il lavoro è stato una collaborazione tra Emory e scienziati dell'Argonne National Laboratory, dell'Istituto Paul Scherrer di Villigen, in Svizzera, e del Center for Cellular Imaging e NanoAnalytics dell'Università di Basilea.

Il collagene è la principale proteina strutturale nel tessuto connettivo del corpo, come cartilagine, ossa, tendini, legamenti e pelle. È anche abbondante nei vasi sanguigni, nell'intestino, nei muscoli e in altre parti del corpo.

Il collagene prelevato da altri mammiferi, come i maiali, viene talvolta utilizzato per la guarigione delle ferite e altre applicazioni mediche negli esseri umani. Il laboratorio di Conticello è solo una delle poche dozzine in tutto il mondo incentrato sullo sviluppo di collagene sintetico adatto per applicazioni in biomedicina e altre tecnologie complesse. Tali biomateriali sintetici “designer” possono essere controllati in modi che il collagene naturale non può.

«Già 30 anni fa, è diventato possibile controllare la sequenza del collagene», dice il dottor Conticello. «Il campo ha davvero preso forza, tuttavia, negli ultimi 15 anni a causa dei progressi nella cristallografia e nella microscopia elettronica, che ci consente di analizzare meglio le strutture su nanoscala».

Lo sviluppo del nuovo nanomateriale mutaforma all'Emory è stato “un incidente fortuito”, afferma Conticello. «C'era un elemento di fortuna e un elemento di design».

La proteina del collagene è composta da una tripla elica di fibre che si avvolgono l'una sull'altra come una corda a tre fili. I fili non sono flessibili, sono rigidi come matite e si impacchettano saldamente in una matrice cristallina.

Il laboratorio di Conticello (Conticello’s lab) lavora con i fogli di collagene che ha sviluppato per un decennio. «Un foglio è un grande cristallo bidimensionale, ma a causa del modo in cui i peptidi si impacchettano è come un intero mazzo di matite raggruppate insieme», spiega Conticello. «Metà delle matite nel pacco hanno le punte rivolte verso l'alto e l'altra metà ha la gomma rivolta verso l'alto».

Il dottor Vincent Conticello ha voluto provare ad affinare i fogli di collagene in modo che ogni lato fosse limitato ad una funzionalità. Per approfondire l'analogia con la matita, una superficie del foglio sarebbe composta da tutti i punti di piombo e l'altra superficie sarebbero tutte gomme. L'obiettivo finale era quello di sviluppare fogli di collagene che potessero essere integrati con un dispositivo medico rendendo una superficie compatibile con il dispositivo e l'altra superficie compatibile con le proteine funzionali nel corpo.

Quando i ricercatori hanno ingegnerizzato questi tipi separati di superfici in singoli fogli di collagene, tuttavia, si sono sorpresi nell'apprendere che faceva arricciare i fogli come pergamene. Hanno quindi scoperto che la transizione del cambio di forma era reversibile: potevano controllare se un foglio era piatto o fatto scorrere semplicemente cambiando il pH della soluzione in cui si trovava. Hanno anche dimostrato di poter regolare i fogli per modificare la forma a un pH particolare livelli in un modo che potrebbe essere controllato a livello molecolare attraverso la progettazione.

«È particolarmente interessante che la condizione attorno alla quale si verifica la transizione sia una condizione fisiologica», afferma Vincent Conticello. «Questo apre il potenziale per trovare un modo per caricare un farmaco in un tubo di collagene in condizioni di laboratorio controllate. Il tubo di collagene potrebbe quindi essere sintonizzato per dispiegarsi e rilasciare le molecole del farmaco che contiene dopo che è entrato nell'ambiente di pH di una cellula umana».

Gli scienziati di Emory, che hanno contribuito alla misurazione e alla caratterizzazione del nuovo nanomateriale e co-autori dell'articolo, includono i professori di chimica Brian Dyer e Khalid Salaita; le studentesse laureate in chimica Alisina Bazrafshan e Helen Siaw; e Arthur McCanna del nucleo di microscopia elettronica integrata di Robert P. Apkarian.

I coautori dell'Istituto Paul Scherrer hanno contribuito a caratterizzare la struttura tridimensionale degli assemblaggi cristallini e ad analizzare ulteriormente il nanomateriale includono Jan Pieter Abrahams, Thorsten Blum ed Eric van Genderen. Anche Xiaobing Zuo del Laboratorio nazionale Argonne ha contribuito come coautore del progetto.

Il lavoro è stato sostenuto dai fondi della National Science Foundation, della Swiss National Science Foundation e del National Institutes of Health.

Riferimenti:

(1) Shape-Shifting Peptide Nanomaterials: Surface Asymmetry Enables pH-Dependent Formation and Interconversion of Collagen Tubes and Sheets

(2) Vincent Conticello

(3) Andrea Merg

(4) Conticello’s lab

Descrizione foto:

Foto sinistra: La microfotografia fluorescente, mostra il nuovo nanomateriale sotto forma di fogli.

Foto centrale: La barra della scala bianca è di 4 micrometri nella foto principale e di 2 micrometri nella foto nel riquadro. Micrografia fluorescente in forma a scorrimento. La barra della scala bianca è di 4 micrometri nella foto principale e di 2 micrometri nella foto nel riquadro.

Foto destra: Le micrografie elettroniche forniscono una visione dettagliata del nuovo nanomateriale. Le frecce indicano gli strati che si formano nei tubi, portando i ricercatori a ipotizzare che i fogli formino dei tubi scorrendo negli angoli. - Credit: Conticello Lab.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Emory chemists invent shape-shifting nanomaterial

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