European XFEL enthüllt Geheimnisse eines wichtigen Nanogels

Ein internationales Team vom weltweit größten europäischen Patienten. Die Ergebnisse hat das Team nun im Fachjournal veröffentlicht Wissenschaftler machen Fortschritte.

Die Forscher untersuchten das temperaturbedingte Quellen und Kollabieren des Polymers Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAm) am Europe XFEL in Schenefeld bei Hamburg. Aufgrund seiner dynamischen Veränderungen wird PNIPAm häufig in der Medizin eingesetzt, z. B. für die Arzneimittelabgabe, das Tissue Engineering oder die Sensorik.

PNIPAm wird im Allgemeinen in Wasser gelöst. Ab einer bestimmten Temperatur, der sogenannten unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST), die bei etwa 32 °C liegt, geht es von einem hydrophilen, wasserliebenden Zustand in einen hydrophoben und wasserabweisenden Zustand über. Wie Lehmkühler und Kollegen untersuchten, ändern Nanogelpartikel oberhalb dieser Temperatur schnell ihre Größe, wenn sie Wasser ausstoßen.

Diese Funktion ist für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, darunter die kontrollierte Freisetzung von Medikamenten in den Körper eines Patienten, als Modellsystem für Proteine ​​und Tissue Engineering, die Kultivierung organischer Gewebe für medizinische Anwendungen oder als biokompatible Temperatursensoren.

Allerdings war es bisher sehr schwierig, diese schnellen Phasenübergänge experimentell zu beobachten und sie somit für verschiedene Anwendungen zu optimieren. Daher bleibt die genaue Charakterisierung der Kinetik von PNIPAm-Polymermodifikationen mit der Temperatur ein immer noch aktuelles Forschungsthema.

Die schnelle Folge von Röntgenpulsen des European XFEL hat es Forschern nun ermöglicht, schnelle, temperaturabhängige Veränderungen im PNIPAm-Nanogel mithilfe einer Technik namens Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS) zu untersuchen.

„Aufgrund der hohen Wiederholungsrate des European XFEL. Die Forscher untersuchten Partikel mit einer Größe von rund 100 Nanometern. Die Röntgenpulse dienten sowohl der Erwärmung der Nanopartikel als auch der Messung ihrer Strukturveränderungen über ihre Dynamik, also ihre Bewegung im umgebenden Wasser.

„Dank der am European XFEL gewonnenen Daten konnten wir nun das Quellen und Kollabieren des Polymers besser verstehen“, erklärt Felix Lehmkühler, einer der Teamleiter.

„Im Gegensatz zu früheren Studien, die sich auf indirekte Messungen der Quell- oder Kollapskinetik beschränkten, stellten wir fest, dass das Nanogel im 100-Nansekunden-Bereich viel schneller schrumpft, das Aufblasen jedoch zwei bis drei Größenordnungen länger dauert als die Zeit“, erklärt Lehmkühler. Die Ergebnisse könnten Forschern dabei helfen, die Eigenschaften des Polymers für verschiedene Anwendungen besser zu verstehen und zu verbessern, beispielsweise für die Entwicklung wirksamerer Arzneimittelabgabesysteme.