प्रथिनांसारखे नॅनोपार्टिकल्स वाढत्या क्रिस्टल्समध्ये स्वतःची विभागणी करतात, नियंत्रित प्रकाशन सक्षम करतात

परिचय: संकरित सामग्रीसाठी निसर्गाचा नमुना

हाडांची उल्लेखनीय लवचिकता, दातांची कडकपणा आणि शिंपल्यांचे इंद्रधनुषी सौंदर्य हे सर्व निसर्गाच्या मऊ सेंद्रिय रेणूंना कठोर अजैविक क्रिस्टल्ससह एकत्र करण्याच्या क्षमतेतून उद्भवते. हाडांमध्ये, लवचिक कोलेजन तंतू एक स्कॅफोल्ड प्रदान करतात जे कठोर कॅल्शियम फॉस्फेट क्रिस्टल्सद्वारे मजबूत केले जाते, परिणामी एक सामग्री तयार होते जी मजबूत आणि हलकी दोन्ही असते. सेंद्रिय आणि अजैविक घटकांचे हे गुंतागुंतीचे मिश्रण, ज्याला बायोमिनरलायझेशन म्हणून ओळखले जाते, याने शास्त्रज्ञांना या नैसर्गिक संमिश्रांची नक्कल करणारी कृत्रिम सामग्री तयार करण्यासाठी प्रेरित केले आहे.

आता, संशोधकांच्या एका पथकाने हे दाखवून या ध्येयाकडे एक महत्त्वपूर्ण पाऊल उचलले आहे की विशेषतः डिझाइन केलेले पॉलिमर नॅनोपार्टिकल्स वाढत्या कॅल्साइट क्रिस्टल्समध्ये स्वतःला वेगळ्या प्रदेशांमध्ये विभागू शकतात, जसे नैसर्गिक बायोमिनरल्समध्ये प्रथिने करतात. नेचर कम्युनिकेशन्स मध्ये प्रकाशित झालेल्या या निष्कर्षांमुळे औषध वितरण, उत्प्रेरक आणि इतर अनुप्रयोगांसाठी नियंत्रित प्रकाशन गुणधर्म असलेल्या नवीन सामग्रीचा मार्ग मोकळा होऊ शकतो.

बायोमिनरल्सची नक्कल करण्याचे आव्हान

नैसर्गिक बायोमिनरल्सची अचूक संघटना प्रतिकृती करणारे कृत्रिम संमिश्र तयार करणे हे एक कठीण आव्हान आहे. निसर्गात, प्रथिने आणि इतर सेंद्रिय रेणू अत्यंत नियंत्रित पद्धतीने क्रिस्टल्समध्ये समाविष्ट केले जातात, परिणामी बर्याचदा उल्लेखनीय यांत्रिक गुणधर्म असलेली सामग्री तयार होते. उदाहरणार्थ, नॅक्रे (मोत्याची आई) त्याची ताकद अरागोनाइट प्लेटलेट्स आणि सेंद्रिय मॅट्रिक्सच्या स्तरित संरचनेद्वारे प्राप्त करते.

कृत्रिम क्रिस्टल्समध्ये सेंद्रिय रेणूंचा समावेश करण्याच्या पूर्वीच्या प्रयत्नांमध्ये बर्याचदा यादृच्छिक वितरण होते, ज्यामध्ये निसर्गात दिसणारी अवकाशीय संघटना नसते. ऑर्डर प्राप्त करण्याची गुरुकिल्ली सेंद्रिय पदार्थ आणि वाढत्या क्रिस्टल पृष्ठभाग यांच्यातील परस्परसंवादांमध्ये आहे. पदार्थांचा आकार, आकार आणि पृष्ठभाग रसायनशास्त्र समायोजित करून, त्यांचा समावेश आणि व्यवस्था नियंत्रित करणे शक्य होऊ शकते.

प्रथिनांसारखे नॅनोपार्टिकल्स डिझाइन करणे

या अभ्यासात, संशोधकांनी दोन प्रकारचे डिब्लॉक कॉपॉलिमर नॅनोपार्टिकल्स तयार केले जे प्रथिनांचा आकार आणि पृष्ठभाग गुणधर्मांची नक्कल करतात. पहिल्या प्रकाराला S56B500 म्हणतात, ते अंदाजे 100 नॅनोमीटर व्यासाचे घन गोळे होते. त्यामध्ये पॉली(बेंझिल मेथाक्रिलेट) कोर आणि लाल फ्लोरोसेंट डाईने टॅग केलेल्या सल्फेट-युक्त पॉलिमर साखळ्यांचे कवच होते. दुसरा प्रकार, M54B200, सुमारे 300 नॅनोमीटर व्यासाचे, समान पॉलिमर कोर असलेले परंतु हिरव्या फ्लोरोसेंट डाईने टॅग केलेले कार्बोक्सिलेट-समृद्ध बाह्य कवच असलेले पोकळ, पुटिकासारखे कण होते.

हे नॅनोपार्टिकल्स वेगवेगळ्या पृष्ठभाग रसायनशास्त्रासह डिझाइन केले गेले होते: गोलावरील सल्फेट गट जोरदार नकारात्मक चार्ज केलेले असतात, तर पुटिकांवरील कार्बोक्सिलेट गट देखील नकारात्मक चार्ज केलेले असतात परंतु कॅल्शियम आयनांशी भिन्न बंधनकारक आत्मीयता असते. या फरकामुळे नॅनोपार्टिकल्स वाढत्या कॅल्साइट क्रिस्टलशी कसा संवाद साधतात यावर प्रभाव पडण्याची अपेक्षा होती.

क्रिस्टल वाढीदरम्यान स्व-वर्गीकरण

जेव्हा दोन्ही प्रकारच्या नॅनोपार्टिकल्सच्या मिश्रणाच्या उपस्थितीत कॅल्साइट क्रिस्टल्स वाढवले गेले, तेव्हा संशोधकांनी एक उल्लेखनीय घटना पाहिली: नॅनोपार्टिकल्स क्रिस्टलमधील वेगळ्या प्रदेशांमध्ये स्वतःची विभागणी करतात. लाल-फ्लोरोसेंट गोळे विशिष्ट झोनमध्ये केंद्रित होते, तर हिरव्या-फ्लोरोसेंट पुटिकांनी इतर क्षेत्रे व्यापली. हे स्व-वर्गीकरण वर्तन पृष्ठभाग रसायनशास्त्रातील फरकांमुळे चालविले गेले, ज्यामुळे क्रिस्टल पृष्ठभागासाठी नॅनोपार्टिकल्सची आत्मीयता आणि त्यांचा समावेश दर प्रभावित झाला.

कॉन्फोकल फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोपी वापरून, पथकाने क्रिस्टल्समधील नॅनोपार्टिकल्सचे वितरण दृश्यमान केले. प्रतिमांनी लाल आणि हिरव्या फ्लोरोसेन्सचे स्वतंत्र डोमेन स्पष्टपणे दर्शविले, हे दर्शविते की नॅनोपार्टिकल्स यादृच्छिकपणे मिसळले नाहीत परंतु संघटित नमुने तयार केले. कृत्रिम क्रिस्टल प्रणालीमध्ये अशा स्व-वर्गीकरणाचे हे पहिले प्रात्यक्षिक आहे.

स्व-वर्गीकरणामागील यंत्रणा

स्व-वर्गीकरण यंत्रणा नॅनोपार्टिकल कवचांच्या कॅल्साइट पृष्ठभागाशी असलेल्या भिन्न बंधनकारक आत्मीयतेमुळे उद्भवते असे मानले जाते. गोलावरील सल्फेट गटांमध्ये कॅल्शियम आयनांसाठी जास्त आत्मीयता असते, जे वाढत्या क्रिस्टल पृष्ठभागावर मुबलक असतात, ज्यामुळे विशिष्ट वाढीच्या टप्प्यांवर त्यांचा प्राधान्याने समावेश होतो. याउलट, पुटिकांवरील कार्बोक्सिलेट गटांमध्ये कमी आत्मीयता असते, ज्यामुळे ते वेगवेगळ्या ठिकाणी किंवा कमी दराने समाविष्ट केले जातात.

याव्यतिरिक्त, दोन प्रकारच्या नॅनोपार्टिकल्समधील आकारातील फरक देखील भूमिका बजावू शकतो. लहान गोळे नॅनोस्केल पोकळी किंवा स्टेप एजमध्ये बसू शकतात जे मोठ्या पुटिकांसाठी अगम्य असतात. हा आकार-निवडक समावेश अवकाशीय विभक्ततेमध्ये आणखी योगदान देऊ शकतो.

संशोधकांना असेही आढळले की नॅनोपार्टिकल्स फक्त यादृच्छिकपणे अडकले नव्हते परंतु क्रिस्टल जाळीमध्ये सक्रियपणे समाविष्ट केले गेले होते, जसे फ्लोरोसेन्स पॅटर्नने क्रिस्टलच्या अंतर्गत संरचनेचे अनुसरण केले. हे सूचित करते की नॅनोपार्टिकल्स नियंत्रित पद्धतीने अवरोधित केले जातात, संभाव्यतः अनुरूप गुणधर्मांसह क्रिस्टल्सच्या डिझाइनला अनुमती देतात.

नियंत्रित प्रकाशनासाठी परिणाम

या स्व-वर्गीकरण घटनेच्या सर्वात रोमांचक अनुप्रयोगांपैकी एक म्हणजे नियंत्रित प्रकाशन प्रणाली. विशिष्ट परिस्थितीत त्यांचा माल सोडण्यासाठी ट्रिगर केले जाऊ शकणारे नॅनोपार्टिकल्स समाविष्ट करून, औषधे, रंग किंवा उत्प्रेरक नियंत्रित पद्धतीने सोडणारी सामग्री तयार करणे शक्य होऊ शकते. उदाहरणार्थ, जर नॅनोपार्टिकल्स उपचारात्मक एजंटसह लोड केले गेले तर, क्रिस्टल संरक्षक कवच म्हणून काम करू शकते जे कालांतराने खराब होते, हळूहळू एजंट सोडते.

वेगवेगळ्या प्रकारचे नॅनोपार्टिकल्स वेगळ्या प्रदेशांमध्ये ठेवण्याची क्षमता बहु-स्टेज रिलीझ प्रोफाइल सक्षम करू शकते, जिथे एक प्रकारचा नॅनोपार्टिकल प्रथम त्याचा पेलोड सोडतो, त्यानंतर दुसरा. एकाधिक औषधांच्या अनुक्रमिक प्रकाशनाची आवश्यकता असलेल्या औषध वितरण प्रणालींमध्ये हे उपयुक्त ठरू शकते.

शिवाय, नॅनोपार्टिकल्स स्वतःच पीएच, तापमान किंवा प्रकाश यासारख्या बाह्य उत्तेजनांना प्रतिसाद देण्यासाठी डिझाइन केले जाऊ शकतात, ज्यामुळे मागणीनुसार प्रकाशन शक्य होते. स्व-वर्गीकरण यंत्रणा या कार्यात्मक नॅनोपार्टिकल्सना मजबूत अजैविक मॅट्रिक्समध्ये आयोजित करण्याचा एक मार्ग प्रदान करते, ज्यामुळे स्मार्ट सामग्रीचा एक नवीन वर्ग तयार होतो.

व्यापक अनुप्रयोग आणि भविष्यातील दिशा

नियंत्रित प्रकाशनाच्या पलीकडे, या बायोमिमेटिक संमिश्रांना उत्प्रेरक, संवेदन आणि संरचनात्मक सामग्रीमध्ये अनुप्रयोग सापडू शकतात. क्रिस्टल्समध्ये कार्यात्मक नॅनोपार्टिकल्सचा समावेश केल्याने नवीन गुणधर्म प्राप्त होऊ शकतात, जसे की वर्धित यांत्रिक सामर्थ्य, ऑप्टिकल क्रियाकलाप किंवा उत्प्रेरक क्रियाकलाप. उदाहरणार्थ, उत्प्रेरक गुणधर्म असलेले नॅनोपार्टिकल्स क्रिस्टल सपोर्टमध्ये एम्बेड केले जाऊ शकतात, ज्यामुळे स्थिर आणि पुन्हा वापरता येणारा उत्प्रेरक तयार होतो.

स्व-वर्गीकरण यंत्रणा नैसर्गिक बायोमिनरल्सची नक्कल करणारी जटिल, श्रेणीबद्ध रचना असलेली सामग्री तयार करण्याची शक्यता देखील उघडते. नॅनोपार्टिकल्सचा आकार, आकार आणि पृष्ठभाग रसायनशास्त्र काळजीपूर्वक डिझाइन करून, आणखी अत्याधुनिक व्यवस्था प्राप्त करणे शक्य होऊ शकते, जसे की पर्यायी स्तर किंवा ग्रेडियंट.

भविष्यातील संशोधन कदाचित स्व-वर्गीकरण चालविणार्या अचूक आण्विक परस्परसंवाद समजून घेण्यावर आणि हा दृष्टीकोन इतर क्रिस्टल प्रणालींपर्यंत विस्तारित करण्यावर केंद्रित असेल. संशोधकांनी साध्य करण्यायोग्य संरचनांची श्रेणी विस्तृत करण्यासाठी भिन्न पॉलिमर रसायनशास्त्र आणि नॅनोपार्टिकल भूमिती वापरण्याची देखील योजना आखली आहे.

निष्कर्ष

हा अभ्यास बायोमिमेटिक सामग्रीच्या क्षेत्रातील एक महत्त्वपूर्ण प्रगती दर्शवितो. प्रथिनांसारखे नॅनोपार्टिकल्स वाढत्या क्रिस्टल्समध्ये स्वतःची विभागणी करू शकतात हे दाखवून, संशोधकांनी संघटित सेंद्रिय-अजैविक संकरित सामग्री तयार करण्यासाठी एक नवीन रणनीती प्रदान केली आहे. नियंत्रित प्रकाशन आणि त्यापलीकडे संभाव्य अनुप्रयोग प्रचंड आहेत आणि हे कार्य नैसर्गिक बायोमिनरल्सच्या जटिलतेशी आणि कार्यक्षमतेशी स्पर्धा करणार्या कृत्रिम सामग्रीच्या डिझाइनचा मार्ग मोकळा करते.

हा लेख Phys.org च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.