از کُره تا کِرم، معمایی در ساختار پلیمر‌ها که بلاخره کشف شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مشاهده اتفاقی تشکیل نوعی ساختار ژل به صورت کرم مانند، دو سال زمان محققان را گرفت تا آن‌ها فهمیدند که چگونه ساختار‌های کروی به ساختار‌های کرم‌مانند تبدیل شده‌اند.

بسیاری از افراد بدون اینکه بدانند از هیدروژل‌ها استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، هیدروژل‌ها به عنوان سوپرجاذب در پوشک بچه‌ها، مایعات زیادی را جذب می‌کنند. در این فرآیند، مواد اولیه خشک شده ژله مانند می‌شوند، اما خیس نمی‌شوند. هیدروژل‌ها نیز در علم نقش دارند. از نقطه نظر شیمیایی، آن‌ها مولکول‌های پلیمری بلند و سه‌بعدی هستند که می‌توانند مولکول‌های آب را جذب و نگه دارند.

در گروه کاری رابرت لوکسنهوفر پروفسور شیمی دانشگاه ورزبورگ، مناسب بودن هیدروژل‌ها برای ساخت زیستی در حال آزمایش است. به عنوان مثال، هیدروژل‌ها را می‌توان برای چاپ سه‌بعدی به‌عنوان ساختار‌های داربست استفاده کرد، تا سلو‌ل‌ها به سطح آن متصل شوند. به این ترتیب، می‌توان بافت‌های مصنوعی برای تحقیقات پزشکی و درمانی تولید کرد.

در طول این تحقیق، لوکاس هان در تیم لوکسنهوفر متوجه شکل غیرمعمول تشکیل هیدروژل شد. او این تشکیل غیرمعمول را در پلیمر‌هایی مشاهده کرد که برای نانوپزشکی، به ویژه برای دارورسانی در نظر گرفته بود. این پلیمر‌ها به صورت نانوذرات کروی در آب در دمای ۴۰ درجه تشکیل می‌شوند. هنگامی که آب تا دمای زیر ۳۲ درجه سرد می‌شود، کره‌ها به صورت ساختار‌های کرم مانندی در می‌آیند و یک ژل تشکیل می‌شود. وقتی محیط گرم شود دوباره حل می‌شوند.

رابرت لوکسنهوفر توضیح می‌دهد: «این رفتار در پلیمر‌های مصنوعی بسیار نادر است و کاملاً غیرمنتظره بود. اگر این اتفاق بیفتد، تشکیل ژل معمولاً به دلیل پیوند‌های هیدروژنی است، نیرو‌های جاذبه بین گروه‌های عاملی قطبی که شامل اتم‌های هیدروژن است که اثر تثبیت‌کننده دارند. به عنوان مثال، چنین فعل و انفعالاتی برای ساختار و عملکرد پروتئین‌ها اهمیت اساسی دارند.»

با این حال، همه چیز در مورد پلیمر‌هایی که در اینجا با آن‌ها سروکار داریم کاملاً متفاوت است. از نظر ساختار شیمیایی آن‌ها قادر به ایجاد پیوند هیدروژنی با یکدیگر نیستند. ظاهراً محققان به مکانیسم ناشناخته‌ای از تشکیل ژل برخورد کرده بودند.

برای حل این معما، رابرت لوکسنهوفر همکاری با چند متخصص در تعیین خصوصیات نانوذرات ساخته شده از پلیمر‌ها را آغاز کرد. با همکاری سایر گروه‌های تحقیقاتی، تیم او نگاه دقیق‌تری به شکل عجیب تشکیل ژل انداخت، معمایی پیچیده که حل آن دو سال طول کشید.

وی می‌گوید: «ما توانستیم مکانیسم ناشناخته‌ای را شناسایی کنیم، زیرا از طیف گسترده‌ای از ابزار‌های تحلیلی استفاده کردیم. با این حال، در پایان، این پیشرفت با روش‌های مختلف طیف‌سنجی NMR حاصل شد.»

ترزا زورن از محققان این پروژه متوجه شد که در این مورد چه چیزی منجر به تشکیل ژل می‌شود. برهمکنش‌های خاص بین گروه‌های آمیدی قابل حل در آب و حلقه‌های فنیلی در بلوک‌های ساختمانی پلیمری غیر محلول در آب دلیل اصلی تشکیل این ژل است. این فعل و انفعالات باعث می‌شود که نانوذرات کروی متراکم شوند و به ساختار‌های کرم مانند تبدیل شوند.

از اینجا به کجا می‌رویم؟ محققان متقاعد شده‌اند که مکانیسم تازه کشف شده تشکیل هیدروژل برای سایر پلیمر‌ها و برهمکنش آن‌ها با بافت‌های بیولوژیکی نیز مرتبط است. این نتایج برای توسعه محصولاتی نظیر لنز چشم کاربرد دارد.