Reaktivt glas

En ny klass av bioaktivt glas kan fungera som ett intelligent system - det känner inte bara av sin miljö utan reagerar kemiskt och fysiskt på det.

Vid Southern Illinois University har Bakul C. Dave (uttalas Da-vey) bildat ett transparent glasartat material från en organiskt modifierad silikagellösning. Blandad med vatten vid rumstemperatur stelnar sol-gellösningen på cirka fem minuter till en fast men ändå elastisk transparent gel.

Sol-gelglaset är bikaka med mikroskopiska porer som kan absorbera biomolekyler som proteiner eller enzymer och frigöra dem som svar på miljöstimuli. Denna egenskap skulle kunna föra närmare en smart läkemedelsleverans som kan reglera doser för att upprätthålla korrekta terapeutiska nivåer.

Swell Glass

Konventionellt glas, skapat genom att smälta kiseldioxid vid hög temperatur, innehåller mycket lite vatten. Sol-gel glas är 20 viktprocent vatten. Kombinationen av porositet och hög vattenhalt gör sol-gelglaset till en flexibel sensor och reaktor.

I labbexperiment sväller sol-gelglaset, krymper eller böjer sig under förhållanden med växlande temperatur eller surhet, men återgår ändå till sin ursprungliga form när miljön dämpas. Det reagerar också på förändringar i salt eller elektriskt fält.

Dessutom kan glaset reagera på en mängd olika kemiska stimuli, inklusive proteiner och andra biomolekyler. Glasets känslighet, inklusive valet av målmolekyl, styrs av modifieringar av silikagellösningen.

När sol-gelglaset ändrar form kan det absorbera eller driva ut biomolekyler genom sitt sammankopplade system av mikroporer, som också förstoras eller krymper. Själva glaset är bio-inert, eller biokompatibelt, vilket betyder att det bevarar integriteten hos biomolekyler som är inbyggda i eller absorberas i sol-gel-porerna. Denna biokompatibilitet innebär också att dess användning som ett piller eller implantat inte bör utlösa infektion eller avstötning av kroppen.

Pump eller svamp

Daves forskargrupp undersöker sol-gels potential som en miljöreglerad läkemedelsleverans. Till skillnad från kapslar med tidsfrisättning, vars verkan är kontinuerlig, skulle en sol-gel-insulinpump, till exempel, efterlikna bukspottkörtelns naturliga respons och modulera mängden insulin som den frisätter i proportion till den fluktuerande koncentrationen av glukos i blodet.

Daves team har börjat testa detta tillvägagångssätt med sol-gel-implantat i möss. Vid förväntade doseringsnivåer kan insulinet i implantatet på en millimeter hålla i flera år, säger han.

I ett labb kunde det bioaktiva glaset hitta ytterligare användningsområden som en proteinsvamp eller separator, som suger upp en specifik målmolekyl från en biologisk soppa. Senare kunde processen omvändas för att vrida ut det separerade proteinet.

Andra potentiella tillämpningar inkluderar mikrofluidik och tunna filmer. Det kan vara möjligt, säger Dave, att forma det porösa materialet till små kanaler, ventiler och reservoarer som öppnar och stänger genom att ändra form snarare än mekanisk verkan.

Eller, som en tunn film eller beläggning, kan sol-gelglaset fungera som en sensor som kommunicerar miljöförhållanden till ett underliggande material eller substrat, vilket gör att trycket i ett rör, eller hastigheten på en motor, kan justeras efter behov.

För Dave är huvudsyftet med hans sol-gel-forskning bredden av tillämpningar som den kan öppna upp. Vi kan effektivt omvandla vilken kemisk eller fysisk signal som helst till ett noggrant modulerat svar, säger han.

Älskling, jag krympte provet

Som så många vetenskapliga utvecklingar upptäcktes Daves känsliga glas nästan av en slump. Sol-geler har funnits i många år och har till och med blandats med organiska och biomolekylära material. 1997 arbetade Daves grupp på organiska solgeler för fotokemitillämpningar när en doktorand av misstag lämnade ett starkt ljus på ett prov. Till allas förvåning krympte provet under ljuset.

Idag förfinar Dave kiseldioxidlösningens förmåga att exakt känna av och reagera på specifika miljöstimuli efter att den stelnat till sol-gelglas. Han börjar också undersöka tillämpningar på nanogränsen, där partiklar av sol-gelglaset kan användas för molekylspecifik leverans eller absorption av läkemedel och andra terapeutiska substanser.

Om han lyckas kan vi så småningom se sol-gel nanopartiklar användas för att rengöra organ eller vävnader genom att ta bort eller neutralisera skadliga proteiner eller bakterier.

Dölj