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Kontrolle über die Synthese von weichen Molekülen gewinnen

16.01.2019

Durch die Kontrolle über Form, Größe und Zusammensetzung während der Synthese von Molekülen können Forscher untersuchen, wie diese Faktoren die Funktion von weichen Materialien beeinflussen. Die Suche nach diesen Antworten könnte helfen, die Virologie, die Entwicklung von Medikamenten und neuer Materialien voranzutreiben.

"Wir haben uns diesem neuen Forschungskonzept nicht genähert, indem wir versucht haben, ein Problem zu lösen, sondern indem wir gefragt haben, was möglich ist, wenn es um die Synthese von weichen Molekülen geht", sagte Damien Guironnet, Professor für chemische und biomolekulare Technik an der University of Illinois in Urbana-Champaign und Hauptautor einer neuen Studie. "Was wäre, wenn wir während der molekularen Synthese die Kontrolle über Dinge wie Form, Größe und Zusammensetzung erlangen könnten - was bedeutet das?"

Die Ergebnisse werden in den Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht.

Seit Jahren kämpfen Wissenschaftler darum, zu klären, wie Form und Größe von Nanopartikeln ihr Verhalten im lebenden Gewebe beeinflussen, sagten die Forscher. "Die Größe der synthetischen Moleküle, die wir herstellen, entspricht der Größe der Viren", sagt Dylan Walsh, Absolventin und Studienko-Autorin der Chemie- und Biomolekulartechnik. "Beobachtungen, die aus der Kontrolle dieser Faktoren gemacht wurden, werden es den Forschern ermöglichen, diese Art von Fragen zu untersuchen."

Das Team kombinierte klassische chemische Synthesetechniken und grundlegende chemisch-technische Prinzipien. Sie führten eine präzise Steuerung der Polymerbildungssequenz über die Strömungsgeschwindigkeit der verwendeten Bausteine ein. Durch die Änderung der Durchflussrate kann der neue Prozess weiche Materie mit einzigartigen Architekturen liefern, sagten die Forscher.

"Wir verwenden mathematische Modellierung, um die Form, Größe und Zusammensetzung der Moleküle vorherzusagen, die wir erstellen, und verwenden computergesteuerte Synthese im Labor, um die Flussrate der Mischungen anzupassen, die die Architektur des Polymers steuern", sagte Guironnet.

Die Forscher hielten es für nicht ausreichend, einfach zu sagen, dass sie das können - sie mussten es beweisen.

"Unsere mathematische Modellierung beinhaltet keine Annahmen, so dass es wirklich nichts anderes gibt, als das, was wir modellieren, aber Mathematik ist nichts, was man sehen kann", sagte Guironnet. "Form ist etwas, das wir sehen können, und wir konnten mit mikroskopischer Bildgebung überprüfen, ob wir Polymere gebildet haben, die mit dem übereinstimmen, was wir vorhergesagt haben."

Das Team erreichte dies mit synthetischen Molekülen, die in organischen Lösungsmitteln löslich sind, aber der nächste Schritt wird sein, sich auf wasserlösliche Moleküle zu bewegen. "Wenn wir unsere Immunantwort wirklich besser verstehen und die Spezifität der Medikamentenverabreichung verbessern wollen, müssen diese wasserlöslich sein, damit sie in unserem Körper funktionieren können", sagte Guironnet.

Die Forscher sehen in dieser Arbeit einen großen Schritt nach vorne bei der Weiterentwicklung der Weichstoff-Kunststoffpolymerforschung.

"Wir haben Zugang zu neuen Bausteinen, und jetzt können wir daran arbeiten, herauszufinden, wie wir diese Bausteine nutzen können, um neue Materialien auf molekularer Ebene zusammenzusetzen", sagte Walsh. "Wir betrachten es als Spiel mit Legos, um zu sehen, wie die Form der einzelnen Bausteine das Endprodukt beeinflusst."

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • organische Lösungsmittel
  • chemische Synthese
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