Une classe polyvalente de flexible, les polymères de type protéine pourraient faire progresser de manière significative les futures méthodes d'administration de médicaments. Mais d'abord, les scientifiques doivent développer un processus fiable pour adapter ces polymères à des formes capables de transporter efficacement les médicaments dans tout le corps humain.

Donghui Zhang, professeur de chimie à la Louisiana State University, est au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) pour résoudre ce problème. Son objectif est d'en savoir plus sur l'auto-assemblage par cristallisation, une technique pour former des matériaux solides à l'échelle nanométrique à partir de solutions polymères. Spécifiquement, elle souhaite mieux comprendre comment cette technique pourrait être utilisée pour fabriquer des nanostructures de forme contrôlée à partir de polymères appelés polypeptoïdes. Ces polymères sont particulièrement efficaces pour naviguer dans l'écosystème complexe du corps humain, et si Zhang peut trouver un moyen efficace de les mouler dans des structures spécifiques aux tâches, elle pourra peut-être donner aux ingénieurs et autres chercheurs un meilleur accès à un nouveau matériau passionnant. Ses recherches sont publiées dans la revue Macromolécules .

"Nous savons qu'il est possible de créer ces nanostructures à partir de polypeptoïdes, mais de nombreux aspects de ce processus restent mal compris. Nous aimerions en savoir plus à ce sujet afin que d'autres scientifiques puissent accéder plus facilement à ces matériaux, " dit Zhang.

Zhang explique que l'auto-assemblage par cristallisation décrit un processus dans lequel les polymères dissous en solution s'assemblent lentement en structures nanoscopiques plus rigides à mesure que cette solution est refroidie en dessous de son point de cristallisation. Selon la forme et les dimensions exactes de ces structures cristallisées, ils peuvent ensuite être utilisés pour accomplir un certain nombre de missions médicales impliquant des choses comme l'encapsulation de médicaments et la libération lente de médicaments dans la circulation sanguine.

« Ces polymères peuvent s'assembler en une grande variété de formes. Fibres, tiges, et les feuilles bidimensionnelles sont toutes des résultats possibles de l'auto-assemblage par cristallisation, et chacune de ces formes peut être utilisée pour servir un objectif différent, " dit Zhang.

Le problème, elle explique, prédit exactement quelles formes apparaîtront une fois que le polymère cristallisera en solution. Certaines formes ont plus de valeur que d'autres. En particulier, les nanotiges et les nanofibrilles unidimensionnelles fabriquées à partir de polypeptoïdes sont d'excellents véhicules pour certains médicaments anticancéreux et peuvent survivre dans la circulation sanguine pendant de longues périodes. Zhang souhaite mieux comprendre les mécanismes derrière l'auto-assemblage par cristallisation afin de pouvoir affiner le processus et produire ces formes utiles avec une plus grande régularité.

"Pour maximiser l'efficacité de ce matériau, nous devons nous assurer qu'il possède une morphologie sur mesure, ce qui signifie que ce doit être quelque chose que nous pouvons synthétiser en des formes et des tailles spécifiques, " dit Zhang.

Pour en savoir plus sur l'auto-assemblage piloté par cristallisation et comment il pourrait être utilisé pour produire des nanostructures sur mesure à partir de polypeptoïdes, Zhang a utilisé une combinaison de diffusion de neutrons et de rayons X pour étudier des échantillons polypeptoïdes en suspension dans une solution.

Zhang a fourni des ressources à l'ORNL du DOE et au Brookhaven National Laboratory (BNL) via un nouveau programme d'accès commun pour la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Le programme accélère considérablement le processus de recherche et augmente la vitesse à laquelle les scientifiques peuvent publier leurs découvertes en leur permettant de demander du temps de faisceau dans les deux installations via une seule proposition, avec un accès à l'instrument Bio-SANS du réacteur à isotopes à haut flux (HFIR) de l'ORNL. et l'instrument Bio-SAXS (LiX) à la source nationale de lumière synchrotron II du BNL (NSLS-II). En réalité, l'article Macromolecules est la première publication issue du partenariat SAXS-SANS.

Les neutrons sont particulièrement sensibles aux éléments légers tels que l'hydrogène, alors que les rayons X sont plus sensibles aux éléments plus lourds. Par conséquent, différentes caractéristiques structurelles des assemblages moléculaires ont été mises en évidence en utilisant SANS ou SAXS. Par exemple, les données SANS étaient essentielles pour déterminer la forme externe des blocs de construction de la structure, tandis que l'espacement ou l'arrangement atomique interne de la structure n'aurait pas pu être déterminé sans les données de rayons X. L'analyse combinée des deux données a fourni une image plus fiable et complète des informations structurelles des assemblages moléculaires.

Bio-SANS peut sonder la matière sur une large gamme d'échelles de longueur, ce qui signifie que Zhang est capable de générer des données à la fois sur les caractéristiques infimes des structures nanoscopiques de ces matériaux et sur les systèmes plus vastes dictant la façon dont ces matériaux se structurent en une seule expérience.

"Nous pouvons observer les nanostructures polymères plus complexes émergeant des solutions polymères en temps réel en utilisant SAXS, qui nous fournit un excellent corpus de connaissances sur la façon dont ces matériaux s'assemblent lors de la cristallisation, " dit Zhang.

"La diffusion des neutrons aux petits angles et la diffusion des rayons X aux petits angles se complètent vraiment, donc si vous les combinez, vous pouvez obtenir une image plus complète de la structure de votre échantillon. J'ai vraiment apprécié cet accès commun au SANS à l'ORNL et au SAXS au BNL, et je pense que ce sera un grand atout pour les chercheurs qui cherchent à en savoir plus sur les systèmes matériels."

Le scientifique des instruments ORNL, Shuo Qian, a ajouté :"Tout scientifique pourrait bénéficier de ce programme. Avec une proposition, vous pouvez accéder aux deux installations. C'est une opportunité rare pour les chercheurs d'obtenir une abondance de données différentes."

Zhang espère que ses recherches aideront d'autres scientifiques à utiliser l'auto-assemblage par cristallisation pour créer efficacement de nouveaux types de matériaux à partir de polypeptoïdes et d'autres polymères prometteurs.

"Ces nanostructures pourraient être utiles pour améliorer un certain nombre de procédures médicales importantes, et notre objectif est de générer des recherches qui permettront à nos collègues de synthétiser ces matériaux plus efficacement, " dit Zhang.

Des mesures de rayons X complémentaires ont été effectuées à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d'Argonne et à la source synchrotron à haute énergie de l'université Cornell.