Международная команда крупнейшего в мире рентгеновского лазера European XFEL в Шенефельде недалеко от Гамбурга тщательно изучила свойства важного наногеля, который часто используется в медицине для целевого и контролируемого высвобождения лекарств в нужном месте тела пациента. Команда опубликовала результаты в журнале. Достижения науки.

Исследователи исследовали вызванное температурой набухание и разрушение полимера поли-N-изопропилакриламида (PNIPAm) в европейском XFEL в Шенефельде недалеко от Гамбурга. Благодаря своим динамическим изменениям PNIPam часто используется в медицине, например, для доставки лекарств, тканевой инженерии или сенсорики.

PNIPam обычно растворяется в воде. Выше определенной температуры, так называемой нижней критической температуры раствора (НКТР), которая составляет около 32 °С, он переходит из гидрофильного водолюбивого состояния в гидрофобное водоотталкивающее состояние. Как следствие, частицы наногеля, как исследовали Лемкюлер и его коллеги, быстро меняют свой размер выше этой температуры, вытесняя воду.

Эта функция полезна для различных приложений, включая контролируемое высвобождение лекарств в организме пациента, в качестве модельной системы для белков и тканевой инженерии, культивирования органических тканей для медицинских целей или в качестве биосовместимых датчиков температуры.

Однако до сих пор было очень сложно наблюдать эти быстрые фазовые переходы экспериментально и, следовательно, оптимизировать их для различных приложений. Поэтому точная характеристика кинетики изменения полимера PNIPam с температурой по-прежнему остается живой темой исследований.

Теперь быстрая последовательность рентгеновских импульсов от европейского XFEL позволила исследователям исследовать быстрые, зависящие от температуры изменения в наногеле PNIPam, используя метод, называемый рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопией (XPCS).

«Благодаря высокой частоте повторения европейского XFEL мы можем выполнять эти измерения с достаточно высоким временным разрешением, чтобы следить за структурой и движением наногелей», — говорит Йоханнес Мёллер, научный сотрудник прибора Materials Imaging and Dynamics (MID) Европейский XFEL. Исследователи изучили частицы размером около 100 нанометров. Рентгеновские импульсы использовались как для нагрева наночастиц, так и для измерения их структурных изменений через их динамику, то есть их движение в окружающей воде.

«Благодаря данным, полученным на европейском XFEL, мы теперь смогли лучше понять процессы набухания и разрушения полимера», — говорит Феликс Лемкюлер, один из руководителей группы.

«В отличие от предыдущих исследований, которые ограничивались косвенными измерениями кинетики набухания или коллапса, мы обнаружили, что наногель сжимается значительно быстрее в диапазоне 100 наносекунд, но для набухания требуется на два-три порядка больше времени», — объясняет Лемкюлер. Результаты могут помочь исследователям глубже понять и улучшить свойства полимера для различных применений, например, для разработки более эффективных систем доставки лекарств.