Blokcopolymeren blijken spontaan fraaie structuren te vormen van een paar honderd nanometer groot. ‘Met cryoTEM kunnen we ze nu voor het eerst echt zien.’
“Het klopt verbazingwekkend goed”, reageert Hans Fraaije, hoogleraar fysische chemie in Leiden, enthousiast. “De bollen op de TEM-plaatjes van polymeren van de TU Eindhoven lijken sprekend op de structuren die ik in 2003 publiceerde op basis van modelling. Erg leuk om te zien dat wat je berekent zo goed aansluit bij de werkelijkheid.” De gelijkenis is inderdaad treffend, maar waar je op de computer van Fraaije kijkt naar een model, biedt de computer van de Eindhovense onderzoeker Nico Sommerdijk een blik in de echte wereld van polymeren.
Volgens Sommerdijk vormen polymeren die hydrofiele en hydrofobe gedeeltes bevatten vaak dit soort geordende structuren, net als eiwitten in de natuur combineren tot grotere complexen. “Denk bijvoorbeeld aan alfa-helices die met hun hydrofobe kant tegen elkaar aan gaan zitten en zo grotere, tertiaire structuren vormen. We zullen er vast en zeker nog meer ontdekken.”
Ook Fraaije denkt dat: “De mogelijkheden om polymeren te maken zijn eindeloos. Net als in de levende natuur zullen er talloos veel zijn die geordende structuren op de schaal van tientallen tot honderden nanometers kunnen vormen. Maar er zijn niet veel voorbeelden zoals dit die dat bewijzen. Daarom ben ik hier ook zo enthousiast over.”
Hot paper
De blokcopolymeren waar het allemaal om draait komen uit het Engelse Canterbury, waar organisch chemicus Stefano Biagini en polymeerchemicus Simon Holder nauw samenwerken. Sommerdijk en Holder kennen elkaar uit hun postdocjaren en zo kwamen de polymeren in Eindhoven onder de nieuwste transmissieelektronenmicroscoop terecht (zie ook kader). Het resultaat leverde hen eind vorig jaar een hot paper op in Angewandte Chemie (47, 8859-62).
De blokcopolymeren zijn kamvormig. De ene helft van de kam heeft ‘tanden’ van hydrofiel oligoethyleenglycol, de andere helft heeft tanden die bestaan uit peptiden met hydrofobe aminozuren. De tanden zitten vast aan een keten van hydrofobe norbornenen.
Om een TEM-opname te maken is een monster opgelost in water, als een zeer dun filmpje op een koolstofraster aangebracht en razendsnel afgekoeld tot -180 °C. Het water krijgt zo geen kans om te kristalliseren, maar vormt een glasachtig ‘ijs’ waarin het monster ligt opgesloten in de vorm die het heeft bij kamertemperatuur.
Nanodoolhof
Een paar duizend moleculen van het polymeer PNOEG-PNGLF blijken gezamenlijk een poreuze bol ter grootte van 50 tot 450 nm te vormen. De norbornenenketen en peptiden vormen een solide ‘doolhof’ dat aan de buitenzijde is bekleed met polyethyleenglycol. De kanalen in het doolhof zijn ongeveer 20 nm breed.
Met de elektronenmicroscoop is niet ‘De mogelijkheden om polymeren te maken zijn eindeloos’ direct te bepalen waar zich welk gedeelte van de polymeermoleculen bevindt. Dat de hydrofiele ethyleenglycolstaartjes de buitenkant bekleden lijkt echter een logische gedachte – gezien de waterige omgeving. In NMR-opnamen is geen enkel signaal te ontdekken van waterstofatomen uit de polynorborneenbackbone, noch van enig waterstofatoom in het peptide. Dit geeft aan dat de hydrofobe delen stevig opeengepakt zitten. De enig zichtbare signalen zijn die van de waterstofatomen van de oligoethyleenglycolen. Die signalen suggereren dat de ethyleenglycolen de kanalen een ‘harige’ bekleding geven; ze steken in het water, waar ze vrij bewegen.
Mooie plaatjes
Sommerdijk heeft met de computer een indrukwekkend ‘filmpje’ gemaakt, waarbij de kijker eerst de bol van buiten beziet met alle poriën. Daarna duikt de kijker een porie in om binnen in het doolhof rond te kijken. Sommerdijk: “Een cryoTEM levert erg mooie plaatjes op. Heb je een structuur in de ordegrootte van 10 tot 100 nm, dan kun je er nergens mooiere beelden van krijgen dan hier. Maar CryoTEM is vaak ook de enige manier om nanostructuren te analyseren, en daar is het ons om te doen. We willen de eersten zijn die nieuwe structuren kunnen zien en interpreteren. Het gaat ons dus niet om mooie plaatjes, maar om nieuwe structuren en principes ontdekken.”
Het tweede blokcopolymeer dat met de elektronenmicroscoop bekeken is, vormt een staafvormige micel met vertakkingen die is opgevouwen als een soort opgekrulde worm. De variatie in grootte is geringer dan bij de bollen; de diameter varieert tussen de 80 en 280 nm. De opbouw is bij kleine en grote deeltjes identiek. De ‘worm’ is 20 nm dik en de afstand tussen de delen is telkens 20 tot 25 nm.
De twee blokcopolymeren mogen zeer diverse superstructuren opleveren, mole- culair gezien verschillen ze weinig. Enkel de aminozuursamenstelling van het peptide varieert. De bol heeft als peptide glycine-leucine-fenylalanine; de worm leucine-valine-leucine.
Skelet
Sommerdijk: “We gaan onderzoeken of we in de poriën van de bollen mineralen kunnen laten groeien. Zo geef je de polymeerdeeltjes als het ware een skelet. We doen dit zoals het ook in de natuur gebeurt bij biomineralisatie in bijvoorbeeld botten en schelpen. Eerst brengen we een neerslag van amorf calciumfosfaat in de bollen, waarna die de tijd krijgt om te kristalliseren. De deeltjes die je zo maakt, zijn – denken wij – geschikt als coating voor protheses en implantaten. Botmakende cellen blijken goed te groeien op dergelijke materialen.”
Met de worm heeft Sommerdijk geen directe plannen, maar de peptiden blijken niet willekeurig gekozen. De peptiden zijn biologisch actief. GLF stimuleert het immuunsysteem en kan haarverlies bij chemotherapie tegengaan in ratmodellen. LVL remt het enzym ACE dat een rol speelt in bloeddrukregulering. Sommerdijk: “De superstructuren die de blokcopolymeren vormen, kunnen misschien interessant blijken als slow-release-systemen in de medische wereld.”
CRYOTEM IN EINDHOVEN
Sinds 2006 beschikt de TU/e over de meest moderne elektronentransmissiemicroscopen. De apparatuur is aangeschaft dankzij een NWO-groot subsidie voor Eindhoven en de Universiteit Maastricht. De door FEI gebouwde microscoop is afgestemd op zachte materialen (soft matter) zoals biologische cellen, polymeren en organische nanomaterialen. Van nature geven die materialen weinig contrast en dat was lange tijd dé bottleneck om ze goed te kunnen bestuderen. Maar nu zijn details zichtbaar te maken ter grootte van 1 nm. De TEM kan structuren in 3D weergeven, omdat een monster in de microscoop is te draaien onder een hoek van -70° tot +70°. De computer legt de 140 opnamen precies over elkaar, waaruit een 3D-beeld valt te reconstrueren. FEI Company gebruikt de microscoop in Eindhoven als demonstratie- en testeenheid.
Bron: C2W3, 21 februari 2009
Nog geen opmerkingen