Figure 1. Schéma du mécanisme conjecturé :le polymère (bleu) et la substance cristallisante (vert) se disputent le solvant commun (gris). Lorsque l'écoulement de cisaillement est absent (à gauche), la quantité de solvant suffisante pour solvater le polymère enchevêtré est inférieure à celle pour solvater le polymère démêlé par écoulement de cisaillement (à droite). Le polymère démêlant « vole » ce solvant supplémentaire aux molécules de la substance cristallisante, provoquant la fixation de ces molécules sur le cristal voisin (la flèche violette dans les deux panneaux pointe vers la même particule). Les flèches oranges illustrent le champ vectoriel de la vitesse du fluide dans le cas d'un écoulement de cisaillement moyen. Crédit :Distingué professeur Bartosz Grzybowski, UNIST
Le processus d'examen approfondi des caractéristiques des candidats-médicaments est essentiel pour obtenir les approbations institutionnelles de nouveaux médicaments pour lesquels des données cristallographiques de haute qualité sont requises. En effet, la croissance de gros cristaux de bonne qualité à partir de diverses substances sert un objectif particulier pour de tels processus et analyses. Une étude récente, affilié à UNIST a introduit une nouvelle méthode de croissance cristalline, ce qui améliore la croissance cristalline 10 fois plus vite que la moyenne.
Une équipe de recherche conjointe internationale dirigée par le professeur distingué Bartosz Grzybowski (École des sciences naturelles) a démontré qu'en présence de polymères (de préférence, liquides polyioniques), des cristaux de divers types se développent dans des solvants courants, à température constante, beaucoup plus gros et beaucoup plus rapide lorsqu'il est agité, plutôt que de rester immobile. Cela renverse l'idée que les perturbations mécaniques, comme le choc, tourbillonnant, ou des vibrations, interférer avec la production de gros cristaux de bonne qualité.
La méthode de cristallisation commence généralement par la formation de germes cristallins de haute qualité qui seront utilisés pour faire croître de gros monocristaux. Ainsi, produire des cristaux de bonne qualité d'une taille appropriée est l'étape la plus importante dans l'ensemble du processus de structure cristalline. Pour obtenir plus rapidement des cristaux de bonne taille et de bonne qualité, il est important de faciliter la maturation d'Ostwald, le processus de dissolution des particules plus petites et la croissance des particules plus grosses aux dépens des particules plus petites. Il est de notoriété publique qu'une perturbation mécanique du récipient de croissance du cristal peut entraîner un grand nombre de très petits cristaux, au lieu d'un petit nombre de grands. Cette, alors, empêche la croissance de gros monocristaux.
Figure 2. Croissance améliorée par cisaillement de cristaux de TA en présence d'un polymère ionique. Crédit :Distingué professeur Bartosz Grzybowski, UNIST
Cependant, l'équipe de recherche a observé un phénomène inverse dans la solution de croissance, contenant des liquides polyioniques. On pense généralement que la croissance de gros cristaux n'est possible qu'en solution non perturbée, et ainsi l'obtention de gros cristaux par agitation vigoureuse semblait anormal. D'autres investigations ont montré qu'en présence de liquides polyioniques, l'agitation pourrait améliorer la croissance des cristaux de diverses substances, comprenant diverses molécules organiques, sels inorganiques, complexes métal-organiques, et quelques protéines.
Pour mieux comprendre le mécanisme, l'équipe de recherche a effectué une série d'expériences de cristallisation avec l'application d'une méthode d'agitation à la solution de croissance, contenant un liquide polyionique. Leurs résultats ont montré que la vitesse à laquelle la taille moyenne des cristaux augmentait avec le temps était au moins d'un ordre de grandeur plus rapide que les vitesses typiques de maturation d'Ostwald. Outre, la vitesse de croissance était proportionnelle à la vitesse d'agitation et à la longueur des molécules de la chaîne polymère.
Environ 20 substances différentes ont été testées au total, produisant des cristaux beaucoup plus rapidement que par les méthodes conventionnelles de croissance cristalline. " Surtout, par rapport aux cristaux cultivés de manière conventionnelle, cette accélération de croissance effectuée par agitation en présence de liquide polyionique n'était pas préjudiciable à la qualité cristalline, tel qu'évalué par la qualité cristallographique des diagrammes de diffraction des rayons X, " selon l'équipe de recherche. Leurs conclusions ont reçu une attention considérable de la part des universitaires, comme mécanisme pour favoriser la cristallisation via un nouveau phénomène physique plutôt que la maturation d'Ostwald existante.
"Ce système fermé, la cristallisation à température constante entraînée par le cisaillement pourrait être un ajout précieux au répertoire des techniques de croissance cristalline, permettant une croissance accélérée des cristaux requise par les industries des matériaux et pharmaceutiques, " déclare le professeur distingué Grzybowski.
