211service.com
reactief glas
Een nieuwe klasse van bioactief glas kan werken als een intelligent systeem: het voelt niet alleen zijn omgeving, maar reageert er ook chemisch en fysiek op.
Aan de Southern Illinois University heeft Bakul C. Dave (uitgesproken als Da-vey) een transparant glasachtig materiaal gevormd uit een organisch gemodificeerde silicageloplossing. Gemengd met water bij kamertemperatuur, hardt de sol-gel-oplossing in ongeveer vijf minuten uit tot een stevige maar elastische transparante gel.
Het sol-gel glas is bezaaid met microscopisch kleine poriën die biomoleculen zoals eiwitten of enzymen kunnen absorberen en vrijgeven als reactie op omgevingsstimuli. Deze eigenschap zou een slim voertuig voor medicijnafgifte dichterbij kunnen brengen dat in staat is om doseringen te reguleren om de juiste therapeutische niveaus te behouden.
Zwelglas
Conventioneel glas, gemaakt door silica bij hoge temperatuur te smelten, bevat heel weinig water. Sol-gel glas is 20 procent water per gewicht. De combinatie van porositeit en hoog watergehalte maakt het sol-gel glas tot een flexibele sensor en reactor.
In laboratoriumexperimenten zwelt, krimpt of buigt het sol-gel glas onder omstandigheden van veranderende temperatuur of zuurgraad, maar keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de omgeving matigt. Het reageert ook op veranderingen in zout of elektrisch veld.
Bovendien kan het glas reageren op een verscheidenheid aan chemische stimuli, waaronder eiwitten en andere biomoleculen. De gevoeligheid van het glas, inclusief de keuze van het doelmolecuul, wordt geregeld door modificaties aan de silicageloplossing.
Naarmate het sol-gel-glas van vorm verandert, kan het biomoleculen opnemen of uitstoten via zijn onderling verbonden systeem van microporiën, die ook groter of kleiner worden. Het glas zelf is bio-inert of biocompatibel, wat betekent dat het de integriteit van biomoleculen die zijn ingebouwd in of geabsorbeerd in de sol-gelporiën, behoudt. Deze biocompatibiliteit betekent ook dat het gebruik als pil of implantaat geen infectie of afstoting door het lichaam mag veroorzaken.
Pomp of spons
Het onderzoeksteam van Dave onderzoekt het potentieel van de sol-gel als een door de omgeving gereguleerd vehikel voor medicijnafgifte. In tegenstelling tot capsules met time-release, waarvan de werking continu is, zou een sol-gel-insulinepomp bijvoorbeeld de natuurlijke reactie van de pancreas nabootsen, door de hoeveelheid insuline die het afgeeft te moduleren in verhouding tot de fluctuerende glucoseconcentratie in het bloed.
Dave's team is begonnen deze aanpak te testen met sol-gel-implantaten bij muizen. Bij verwachte doseringen kan de insuline in het implantaat van één millimeter meerdere jaren meegaan, zegt hij.
In een laboratorium kan het bioactieve glas verder worden gebruikt als een eiwitspons of -scheider, waarbij een specifiek doelmolecuul uit een biologische soep wordt opgenomen. Later kan het proces worden omgekeerd om het afgescheiden eiwit eruit te wringen.
Andere mogelijke toepassingen zijn microfluïdica en dunne films. Het is misschien mogelijk, zegt Dave, om het poreuze materiaal te vormen tot kleine kanaaltjes, kleppen en reservoirs die openen en sluiten door van vorm te veranderen in plaats van door mechanische actie.
Of, als een dunne film of coating, zou het sol-gel glas kunnen functioneren als een sensor, die omgevingscondities communiceert met een onderliggend materiaal of substraat, waardoor de druk in een pijp of de snelheid van een motor naar behoefte kan worden aangepast.
Voor Dave is het belangrijkste doel van zijn sol-gel-onderzoek de brede waaier aan toepassingen die het zou kunnen openen. We kunnen elk chemisch of fysiek signaal effectief omzetten in een zorgvuldig gemoduleerde respons, zegt hij.
Schat, ik heb het monster gekrompen
Zoals zoveel wetenschappelijke ontwikkelingen, werd het gevoelige glas van Dave bijna per ongeluk ontdekt. Sol-gels bestaan al vele jaren en zijn zelfs vermengd met organische en biomoleculaire materialen. In 1997 werkte Dave's groep aan organische sol-gels voor fotochemische toepassingen toen een afgestudeerde student per ongeluk een fel licht op een monster liet. Tot ieders verbazing kromp het monster onder het licht.
Tegenwoordig verfijnt Dave het vermogen van de silica-oplossing om precies te voelen en te reageren op specifieke omgevingsstimuli nadat het stolt tot sol-gelglas. Hij begint ook toepassingen op de nanogrens te onderzoeken, waar deeltjes van het sol-gelglas kunnen worden gebruikt voor molecuulspecifieke afgifte of absorptie van medicijnen en andere therapeutische stoffen.
Als hij daarin slaagt, kunnen we uiteindelijk zien dat sol-gel-nanodeeltjes worden gebruikt om organen of weefsels te reinigen door schadelijke eiwitten of bacteriën te verwijderen of te neutraliseren.