揭開奈米凝膠的奧祕：歐洲XFEL的最新突破
奈米凝膠是一種廣泛應用於醫學領域的重要物質，可精準控制藥物釋放，將藥物傳送到患者體內特定部位。最近，位於漢堡附近的舍內費爾德世界最大的X射線雷射實驗室——歐洲XFEL——的一個國際團隊深入探討了這種奈米凝膠的特性。團隊的研究成果已發表在《科學進展》期刊上。
溫度觸發的膨脹與收縮
研究人員在舍內費爾德的歐洲XFEL對聚-N-異丙基丙烯醯胺（PNIPAm）聚合物進行了溫度誘發的膨脹和收縮研究。由於其動態變化，PNIPAm常被用於醫學領域，例如藥物遞送、組織工程或感測器。PNIPAm通常溶解在水中。當溫度超過某個臨界值（稱為低臨界溶液溫度，LCST）時，約為32攝氏度，它會從親水狀態轉變為疏水狀態。
因此，正如Lehmkhler及其同事的研究所示，奈米凝膠顆粒會在溫度超過臨界值時迅速改變大小，排出水分。這項特性適用於各種應用，包括在患者體內受控釋放藥物、作為蛋白質的模型系統、組織工程（用於醫學應用的有機組織培養）或作為生物相容性溫度感測器。然而，迄今為止，要實驗觀察到這些快速的相變十分困難，因此無法針對不同的應用進行最佳化。因此，準確地描述PNIPAm聚合物的動力學隨溫度的變化仍然是一個熱門的研究課題。
XFEL打開新視野
現在，歐洲XFEL的快速X射線脈衝序列使研究人員能夠使用一種稱為X射線光子相關光譜（XPCS）的技術來研究PNIPAm奈米凝膠中快速、與溫度相關的變化。
歐洲XFEL材料成像與動力學儀器（MID）的儀器科學家Johannes Müller說：「由於歐洲XFEL的高重複率，我們可以以足夠高的時間解析度進行這些測量，以追蹤奈米凝膠的結構和運動。」
研究人員研究了約100奈米大小的顆粒。X射線脈衝既用於加熱奈米顆粒，又用於通過它們的動力學（即它們在周圍水中的運動）來測量它們的結構變化。
團隊的領導者之一Felix Lehmkhler說：「在歐洲XFEL獲得的數據的幫助下，我們現在能夠更好地理解聚合物的膨脹和收縮。」
Lehmkhler解釋說：「與以往僅限於測量膨脹或收縮動力學的間接測量研究不同，我們發現奈米凝膠在100奈秒的範圍內收縮速度顯著更快，但膨脹卻需要長兩到三個數量級。」
這些研究結果可以幫助研究人員進一步瞭解和改進聚合物在不同應用中的特性，例如開發更有效的藥物遞送系統。
結論
- 歐洲XFEL的快速X射線脈衝序列使研究人員能夠深入探討PNIPAm奈米凝膠的溫度誘發變化。
- X射線光子相關光譜（XPCS）技術揭示了奈米凝膠膨脹和收縮的動力學。
- 研究發現，奈米凝膠在收縮時的反應速度比膨脹時快得多。
- 這些發現有助於理解和改善聚合物在醫學和其他應用中的特性。