Une équipe internationale du plus grand laser à rayons X européen XFEL au monde à Schenefeld près de Hambourg a examiné les propriétés d’un nanogel important souvent utilisé en médecine pour libérer des médicaments de manière ciblée et contrôlée à l’endroit souhaité dans le corps d’un patient. L’équipe a maintenant publié les résultats dans le journal Avancées scientifiques.
Les chercheurs ont étudié le gonflement et l’effondrement induits par la température du polymère poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAm) au XFEL européen de Schenefeld, près de Hambourg. En raison de ses changements dynamiques, le PNIPAm est fréquemment utilisé en médecine, par exemple pour l’administration de médicaments, l’ingénierie tissulaire ou la sensorielle.
Le PNIPAm est généralement dissous dans l’eau. Au-dessus d’une certaine température, dite température critique inférieure de la solution (LCST), qui se situe autour de 32 °C, elle passe d’un état hydrophile, qui aime l’eau, à un état hydrophobe et hydrofuge. En conséquence, comme l’ont étudié Lehmkühler et ses collègues, les particules de nanogel changent rapidement de taille au-dessus de cette température en expulsant l’eau.
Cette fonctionnalité est utile pour diverses applications, notamment la libération contrôlée de médicaments dans le corps d’un patient, comme système modèle pour les protéines et l’ingénierie tissulaire, la culture de tissus organiques pour des applications médicales ou comme capteurs de température biocompatibles.
Cependant, il a été très difficile jusqu’à présent d’observer expérimentalement ces transitions de phase rapides, et donc de les optimiser pour différentes applications. Par conséquent, la caractérisation précise de la cinétique des modifications du polymère PNIPAm avec la température reste un sujet de recherche toujours d’actualité.
Désormais, la séquence rapide d’impulsions de rayons X du XFEL européen a permis aux chercheurs d’étudier les changements rapides et dépendants de la température dans le nanogel PNIPAm à l’aide d’une technique appelée spectroscopie de corrélation de photons à rayons X (XPCS).
« En raison du taux de répétition élevé du XFEL européen, nous pouvons effectuer ces mesures avec une résolution temporelle suffisamment élevée pour suivre la structure et le mouvement des nanogels », explique Johannes Möller, chercheur à l’instrument Materials Imaging and Dynamics (MID) de XFEL européen. Les chercheurs ont étudié des particules d’une taille d’environ 100 nanomètres. Les impulsions de rayons X ont été utilisées à la fois pour chauffer les nanoparticules et pour mesurer leurs changements structurels via leur dynamique, c’est-à-dire leur mouvement dans l’eau environnante.
« Grâce aux données obtenues au XFEL européen, nous avons désormais pu mieux comprendre le gonflement et l’effondrement du polymère », explique Felix Lehmkühler, l’un des dirigeants de l’équipe.
« Contrairement aux études précédentes, qui se limitaient à des mesures indirectes de la cinétique de gonflement ou d’effondrement, nous avons constaté que le nanogel rétrécit beaucoup plus rapidement dans la plage de 100 nanosecondes, mais met deux à trois ordres de grandeur plus de temps à gonfler », explique Lehmkühler. Les résultats pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre et à améliorer les caractéristiques du polymère pour différentes applications, telles que le développement de systèmes d’administration de médicaments plus efficaces.
Plus d’information:
Francesco Dallari et al, Cinétique de gonflement-effondrement en temps réel de nanogels entraînée par des impulsions XFEL, Avancées scientifiques (2024). DOI : 10.1126/sciadv.adm7876
Fourni par la société européenne XFEL GmbH