Vetro reattivo

Una nuova classe di vetro bioattivo può agire come un sistema intelligente: non solo rileva il suo ambiente, ma reagisce chimicamente e fisicamente ad esso.

Alla Southern Illinois University, Bakul C. Dave (pronunciato Da-vey) ha formato un materiale vetroso trasparente da una soluzione di gel di silice modificata organicamente. Mescolata con acqua a temperatura ambiente, la soluzione sol-gel indurisce in circa cinque minuti in un gel trasparente solido ma elastico.

Il vetro sol-gel è a nido d'ape con pori microscopici in grado di assorbire biomolecole come proteine ​​o enzimi e rilasciarle in risposta a stimoli ambientali. Questa proprietà potrebbe avvicinare un veicolo intelligente per la somministrazione di farmaci in grado di regolare i dosaggi per mantenere livelli terapeutici adeguati.

Gonfiare il vetro

Il vetro convenzionale, creato fondendo la silice ad alta temperatura, contiene pochissima acqua. Il vetro sol-gel è il 20% di acqua in peso. La combinazione di porosità e alto contenuto di acqua rende il vetro sol-gel un sensore e un reattore flessibili.

Negli esperimenti di laboratorio il vetro sol-gel si gonfia, si restringe o si piega in condizioni di variazione di temperatura o acidità, ma ritorna alla sua forma originale quando l'ambiente si modera. Risponde anche alle variazioni di sale o di campo elettrico.

Inoltre, il vetro può reagire a una varietà di stimoli chimici, comprese proteine ​​e altre biomolecole. La sensibilità del vetro, inclusa la scelta della molecola bersaglio, è controllata da modifiche alla soluzione di gel di silice.

Quando il vetro sol-gel cambia forma, può assorbire o espellere biomolecole attraverso il suo sistema interconnesso di micropori, che si allargano o si restringono. Il vetro stesso è bio-inerte, o biocompatibile, il che significa che preserva l'integrità delle biomolecole incorporate o assorbite nei pori del sol-gel. Questa biocompatibilità significa anche che il suo uso come pillola o impianto non dovrebbe innescare l'infezione o il rigetto da parte dell'organismo.

Pompa o spugna

Il team di ricerca di Dave sta studiando il potenziale del sol-gel come veicolo di somministrazione di farmaci regolamentato dall'ambiente. A differenza delle capsule a rilascio prolungato, la cui azione è continua, un microinfusore per insulina sol-gel, ad esempio, mimerebbe la risposta naturale del pancreas, modulando la quantità di insulina che rilascia in proporzione alla fluttuante concentrazione di glucosio nel sangue.

Il team di Dave ha iniziato a testare questo approccio con impianti sol-gel nei topi. Ai livelli di dosaggio previsti, l'insulina nell'impianto di un millimetro potrebbe durare per diversi anni, dice.

In laboratorio, il vetro bioattivo potrebbe trovare ulteriori usi come spugna proteica o separatore, assorbendo una specifica molecola bersaglio da una zuppa biologica. Successivamente il processo potrebbe essere invertito per strizzare la proteina separata.

Altre potenziali applicazioni includono microfluidica e film sottili. Potrebbe essere possibile, dice Dave, modellare il materiale poroso in minuscoli canali, valvole e serbatoi che si aprono e si chiudono cambiando forma piuttosto che con l'azione meccanica.

Oppure, come un film sottile o un rivestimento, il vetro sol-gel potrebbe funzionare come un sensore, comunicando le condizioni ambientali a un materiale o substrato sottostante, consentendo di regolare la pressione all'interno di un tubo o la velocità di un motore secondo necessità.

Per Dave, l'obiettivo principale della sua ricerca sol-gel è l'ampiezza delle applicazioni che potrebbe aprire. Possiamo convertire efficacemente qualsiasi segnale chimico o fisico in una risposta accuratamente modulata, dice.

Tesoro, ho ridotto il campione

Come tanti sviluppi scientifici, il vetro sensibile di Dave è stato scoperto quasi per caso. I sol-gel esistono da molti anni e sono stati persino miscelati con materiali organici e biomolecolari. Nel 1997, il gruppo di Dave stava lavorando su sol-gel organici per applicazioni di fotochimica quando uno studente laureato lasciò accidentalmente una luce brillante su un campione. Con sorpresa di tutti, il campione si è ridotto alla luce.

Oggi, Dave sta perfezionando la capacità della soluzione di silice di rilevare e reagire con precisione a specifici stimoli ambientali dopo che si è solidificata in vetro sol-gel. Sta anche iniziando a studiare applicazioni sulla nano frontiera, dove le particelle del vetro sol-gel potrebbero essere utilizzate per la somministrazione o l'assorbimento molecola-specifici di farmaci e altre sostanze terapeutiche.

Se ha successo, alla fine potremmo vedere nanoparticelle sol-gel utilizzate per pulire organi o tessuti rimuovendo o neutralizzando proteine ​​​​o batteri dannosi.

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