El XFEL europeo descubre secretos de un importante nanogel

Un equipo internacional del XFEL europeo de láser de rayos X más grande del mundo, en Schenefeld, cerca de Hamburgo, ha examinado las propiedades de un importante nanogel que se utiliza a menudo en medicina para liberar fármacos de forma específica y controlada en el lugar deseado del cuerpo del paciente. El equipo tiene ahora publicado los resultados en la revista Avances científicos.

Los investigadores investigaron la hinchazón y el colapso inducidos por la temperatura del polímero poli-N-isopropilacrilamida (PNIPAm) en el XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo. Debido a sus cambios dinámicos, PNIPAm se utiliza frecuentemente en medicina, por ejemplo para administración de fármacos, ingeniería de tejidos o sensores.

PNIPAm normalmente se disuelve en agua. Por encima de una determinada temperatura, la llamada temperatura crítica inferior de la solución (LCST), que ronda los 32 °C, pasa de un estado hidrófilo y amante del agua a un estado hidrófobo y repelente al agua. Como consecuencia, las partículas de nanogel, según lo investigado por Lehmkühler y sus colaboradores, cambian rápidamente de tamaño por encima de esa temperatura al expulsar agua.

Esta característica es útil para una variedad de aplicaciones, incluida la liberación controlada de medicamentos en el cuerpo de un paciente, como sistema modelo para proteínas y en ingeniería de tejidos, el cultivo de tejido orgánico para aplicaciones médicas o como sensores de temperatura biocompatibles.

Sin embargo, hasta ahora ha sido muy difícil observar experimentalmente estas rápidas transiciones de fase y, por lo tanto, optimizarlas para diferentes aplicaciones. Por lo tanto, la caracterización precisa de la cinética de los cambios del polímero PNIPAm con la temperatura sigue siendo un tema de investigación activo.

Ahora, la secuencia rápida de pulsos de rayos X del XFEL europeo ha permitido a los investigadores investigar los cambios rápidos dependientes de la temperatura en el nanogel PNIPAm utilizando una técnica llamada espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS).

«Debido a la alta tasa de repetición del XFEL europeo, podemos realizar estas mediciones con una resolución temporal suficientemente alta para seguir la estructura y el movimiento de los nanogeles», afirma Johannes Möller, científico del instrumento Materials Imaging and Dynamics (MID) de XFEL europeo. Los investigadores estudiaron partículas de un tamaño de unos 100 nanómetros. Los pulsos de rayos X se utilizaron tanto para calentar las nanopartículas como para medir sus cambios estructurales a través de su dinámica, es decir, su movimiento en el agua circundante.

«Con la ayuda de los datos obtenidos en el XFEL europeo, ahora hemos podido comprender mejor el hinchamiento y el colapso del polímero», afirma Felix Lehmkühler, uno de los líderes del equipo.

«A diferencia de estudios anteriores, que se limitaban a mediciones indirectas de la cinética de hinchazón o colapso, hemos descubierto que el nanogel se contrae mucho más rápido, en el rango de 100 nanosegundos, pero tarda entre dos y tres órdenes de magnitud más en hincharse», explica Lehmkühler. Los resultados podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor y mejorar las características del polímero para diferentes aplicaciones, como el desarrollo de sistemas de administración de fármacos más eficientes.