De perfecte pudding

Elk modern biologie-tekstboek staat vol met de meest fantastische microscopiefoto’s van allerlei ingenieuze structuren. Van de hiërarchische organisatie van collageen bindweefsel tot de complexe architectuur van de cel. Het meest wonderlijke is misschien wel dat al die structuren zich spontaan vormen. Zonder dat er een bouwplan is, of een opzichter die vertelt welk molecuul waar moet komen, weten de moleculen elkaar uit zichzelf te vinden en zich te organiseren tot grotere structuren. We noemen dit proces zelfassemblage.

Jaloers op de natuur

Vanuit de chemie en de materiaalkunde wordt met enige jaloezie gekeken naar de complexe moleculaire bouwwerken uit de natuur. Maar inmiddels kunnen we meer dan alleen maar toekijken en bewonderen. We beginnen de principes van zelfassemblage steeds beter te begrijpen. We zijn inmiddels in staat om met grote precisie ingewikkelde moleculen te maken die op een heel specifieke manier wisselwerken: de moleculen passen als legoblokjes op elkaar en vormen zo heel specifieke structuren. We kunnen de natuur dus steeds beter nadoen!

Pudding van polymeren

Voor materiaalkundige toepassingen zijn vooral polymeermoleculen interessant als bouwstenen. Polymeren zijn lange, flexibele moleculen die allerlei verschillende conformaties kunnen aannemen, van een compacte kluwen tot een uitgestrekte sliert. Dit maakt ze ideaal voor het maken van zachte, elastische materialen. De synthesemethoden zijn inmiddels zover ontwikkeld dat we polymeermoleculen met allerlei samenstellingen en architecturen kunnen maken.

Sommige van die moleculen trekken elkaar aan, terwijl andere elkaar juist afstoten. Door de bouwstenen op de juiste manier te kiezen – dat wil zeggen, door te zorgen voor precies de juiste balans van aantrekking en afstoting – kunnen we ervoor zorgen dat deze polymeermoleculen zichzelf spontaan organiseren tot allerlei structuren. Tot kleine bolletjes, bijvoorbeeld, die we kunnen gebruiken als mini-containertjes om medicijnen op een gecontroleerde manier af te kunnen geven op de juiste plaats in het lichaam van een patiënt. Of tot netwerken die heel effectief een vloeistof kunnen verdikken tot iets dat aanvoelt als haargel of pudding. Dit soort polymeren wordt bijvoorbeeld toegevoegd aan watergedragen verf, om ervoor te zorgen dat de verf precies dik genoeg is zodat het makkelijk op te brengen is maar niet van de muur stroomt.

Ook kunnen we de moleculen responsief maken, wat betekent dat de structuren die ontstaan afhangen van bijvoorbeeld de temperatuur, de pH of zuurgraad, de hoeveelheid licht of van mechanische krachten. Zo hopen we ‘slimme’ materialen te kunnen ontwerpen die reageren op hun omgeving. Bijvoorbeeld polymeerbolletjes die hun medicinale inhoud loslaten in de buurt van een tumor waar de pH net iets anders is. Of kunstmatige spiervezels, die krimpen onder invloed van een elektrisch veld.

De natuur evenaren

Toch steken de materialen die we tot nu toe op deze manier kunnen ontwerpen maar magertjes af bij de materialen die de natuur produceert. Huid is bijvoorbeeld zacht en vervormbaar, maar ook supersterk. En de draden van een spinnenweb zijn zo dun dat we ze nauwelijks met het blote oog kunnen zien, maar ze kunnen wel met gemak een dikke vlieg tegenhouden die er hard tegenaan vliegt.

Wat zouden we moeten doen om ook zulke zachte, maar sterke materialen te maken, bijvoorbeeld voor biomedische toepassingen? En wat voor bouwstenen moeten we daarvoor ontwerpen? De natuur heeft er miljoenen jaren over gedaan om de optimale bouwstenen te ontwikkelen voor het maken van haar materialen. Vaak zijn dit zogenaamde structuureiwitten, zoals collageen, zijde, of elastine. Dit zijn eiwitmoleculen die zich spontaan organiseren tot grotere structuren, zoals dikke bundels of netwerken.

Gel voor gewrichtsslijtage

In het Laboratorium van Fysische Chemie en Kolloidkunde in Wageningen werken we aan zelfassemblerende moleculen die zijn geïnspireerd op zulke natuurlijke structuureiwitten. We ontwerpen kunstmatige eiwitpolymeren, waarin fragmenten uit de natuurlijke structuureiwitten worden gecombineerd tot nieuwe moleculen. Zo hopen we nieuwe materialen te maken met eigenschappen die geoptimaliseerd zijn voor bepaalde toepassingen.

Een voorbeeld is hydrogelen voor de regeneratieve geneeskunde. Bij patiënten met gewrichtsslijtage worden dan bijvoorbeeld kraakbeencellen weggehaald. Die cellen worden vervolgens in de hydrogel gebracht, in de hoop dat ze na implantatie in het versleten gewricht weer uitgroeien tot nieuw kraakbeenweefsel. Zo’n medische toepassing stelt uiteraard nogal wat eisen aan het materiaal: het moet in precies de juiste vorm te gieten of te printen zijn; het moet tegen een stootje kunnen; cellen moeten zich er fijn in voelen; en het moet na verloop van tijd, als het weefsel voldoende hersteld is, ook weer afgebroken kunnen worden door het lichaam.