Reaktivt glas

En ny klasse af bioaktivt glas kan fungere som et intelligent system - det fornemmer ikke kun dets miljø, men reagerer kemisk og fysisk på det.

På Southern Illinois University har Bakul C. Dave (udtales Da-vey) dannet et gennemsigtigt glasagtigt materiale ud fra en organisk modificeret silicagelopløsning. Blandet med vand ved stuetemperatur hærder sol-gel-opløsningen på cirka fem minutter til en solid, men alligevel elastisk gennemsigtig gel.

Sol-gelglasset er bikageformet med mikroskopiske porer, der kan absorbere biomolekyler såsom proteiner eller enzymer og frigive dem som reaktion på miljøstimuli. Denne egenskab kunne bringe et smart lægemiddelleveringsmiddel tættere på, der er i stand til at regulere doser for at opretholde korrekte terapeutiske niveauer.

Swell Glas

Konventionelt glas, skabt ved at smelte silica ved høj temperatur, indeholder meget lidt vand. Sol-gel glas er 20 vægtprocent vand. Kombinationen af ​​porøsitet og højt vandindhold gør sol-gelglasset til en fleksibel sensor og reaktor.

I laboratorieeksperimenter svulmer sol-gelglasset, krymper eller bøjes under forhold med skiftende temperatur eller surhedsgrad, men vender alligevel tilbage til sin oprindelige form, når miljøet modereres. Det reagerer også på ændringer i salt eller elektrisk felt.

Derudover kan glasset reagere på en række kemiske stimuli, herunder proteiner og andre biomolekyler. Glassens følsomhed, herunder valget af målmolekyle, styres af modifikationer af silicagel-opløsningen.

Efterhånden som sol-gelglasset ændrer form, kan det absorbere eller udstøde biomolekyler gennem dets indbyrdes forbundne system af mikroporer, som også forstørrer eller krymper. Selve glasset er bio-inert eller biokompatibelt, hvilket betyder, at det bevarer integriteten af ​​biomolekyler indbygget i eller absorberet i sol-gel-porerne. Denne biokompatibilitet betyder også, at dens brug som pille eller implantat ikke bør udløse infektion eller afstødning i kroppen.

Pumpe eller svamp

Daves forskerhold undersøger sol-gels potentiale som et miljøreguleret lægemiddelleveringsmiddel. I modsætning til kapsler med tidsfrigivelse, hvis virkning er kontinuerlig, vil en sol-gel insulinpumpe f.eks. efterligne bugspytkirtlens naturlige reaktion og modulere mængden af ​​insulin, den frigiver i forhold til den svingende koncentration af glukose i blodet.

Daves team er begyndt at teste denne tilgang med sol-gel-implantater i mus. Ved forventede doseringsniveauer kunne insulinet i implantatet på en millimeter holde i flere år, siger han.

I et laboratorium kunne det bioaktive glas finde yderligere anvendelse som en proteinsvamp eller separator, der opsuger et specifikt målmolekyle fra en biologisk suppe. Senere kunne processen vendes for at vride det adskilte protein ud.

Andre potentielle anvendelser omfatter mikrofluidik og tynde film. Det kan være muligt, siger Dave, at forme det porøse materiale til små kanaler, ventiler og reservoirer, der åbner og lukker ved at ændre form frem for mekanisk handling.

Eller, som en tynd film eller belægning, kan sol-gelglasset fungere som en sensor, der kommunikerer miljøforhold til et underliggende materiale eller substrat, så trykket i et rør eller hastigheden af ​​en motor kan justeres efter behov.

For Dave er hovedformålet med hans sol-gel-forskning bredden af ​​applikationer, den kunne åbne op for. Vi kan effektivt konvertere ethvert kemisk eller fysisk signal til en omhyggeligt moduleret respons, siger han.

Skat, jeg krympede prøven

Som så mange videnskabelige udviklinger blev Daves følsomme glas opdaget næsten ved et uheld. Sol-gels har eksisteret i mange år og er endda blevet blandet med organiske og biomolekylære materialer. I 1997 arbejdede Daves gruppe på organiske sol-geler til fotokemiapplikationer, da en kandidatstuderende ved et uheld efterlod et skarpt lys på en prøve. Til alles overraskelse krympede prøven under lyset.

I dag forfiner Dave silicaopløsningens evne til præcist at mærke og reagere på specifikke miljøstimuli, efter at den er størknet til sol-gel glas. Han begynder også at undersøge applikationer på nano-grænsen, hvor partikler af sol-gel-glasset kan bruges til molekylespecifik levering eller absorption af lægemidler og andre terapeutiske stoffer.

Hvis han har succes, kan vi i sidste ende se sol-gel nanopartikler blive brugt til at rense organer eller væv ved at fjerne eller neutralisere skadelige proteiner eller bakterier.

skjule