Dynamische polymeren als nieuwe biomaterialen

Supramoleculaire polymeren zijn grote structuren opgebouwd uit kleine moleculen. Die zitten niet met stevige verbindingen aan elkaar vast, maar worden bij elkaar gehouden door reversibele interacties zoals vanderwaalskrachten of waterstofbruggen. Dat maakt hen dynamisch, net zoals de materialen die we vinden in de natuur.

Het maken van synthetische biomaterialen met hetzelfde niveau van functionaliteit als in de natuur is echter niet zo simpel als het mengen van een aantal moleculen in een potje. Om de beste bouwstenen te kunnen selecteren en zo de kans op een succesvol biomateriaal te vergroten, besloot ST-promovendus Sandra Schoenmakers een stap terug te doen. “Door eerst goed te kijken naar de eigenschappen van de supramoleculaire polymeren hopen we fundamenteel inzicht te krijgen in de materialen voordat hun complexiteit wordt vergroot.”

Structuur en dynamiek

Supramoleculaire polymeren worden gekenmerkt door drie eigenschappen die elkaar constant beïnvloeden, legt Schoenmakers uit. “Dat zijn hun structuur, dynamiek en functie. De relatie tussen de structuur en functie wordt vrij frequent beschreven in de literatuur, maar de dynamiek wordt vaak vergeten. Ik heb daarom vooral gekeken naar de relatie tussen de structuur en dynamiek van de supramoleculaire polymeren.”

Om de supramoleculaire polymeren in detail te kunnen onderzoeken, kroop Schoenmakers achter de elektronenmicroscoop. Daar bekeek ze met vergrotingen tot wel 25.000 keer verschillende supramoleculaire assemblages, allemaal gebaseerd op hetzelfde basis molecuul: benzeen-1,3,5-tricarboxamides (BTAs).

Met verrassend resultaat. “We ontdekten dat sommige supramoleculaire polymeren, waarvan we dachten dat het enkele ketens van moleculen waren, eigenlijk bestaan uit twee ketens van moleculen die om elkaar heen draaien als een dubbele helix.”

Fundamentele kennis

Om de dynamiek te bestuderen gebruikte Schoenmakers een andere techniek, waterstof/deuterium uitwisseling gecombineerd met massaspectrometrie. Deze techniek liet zien dat niet alle moleculen in de polymeren even dynamisch zijn.

Het detailwerk van Schoenmakers leverde veel fundamentele kennis op. “We hebben ontdekt hoe we de gewenste supramoleculaire structuur en dynamiek kunnen krijgen door te spelen met de chemische structuur of door verschillende bouwstenen te mengen."

"Al deze kennis heb ik vervolgens gebruikt om samen met collega’s te kijken naar de eerste functionele supramoleculaire polymeren gebaseerd op BTAs en om hun compatibiliteit met biologische omstandigheden te onderzoeken. We weten nu dat BTAs geschikte biomaterialen zijn, en met deze basiskennis kunnen we gerichter nieuwe synthetische biomaterialen gaan ontwikkelen.”

Sandra Schoenmakers verdedigde haar proefschrift ‘Supramolecular Polymers under the Magnifying Glass’ op dinsdag 30 november. Ze werd begeleid door prof.dr. Bert Meijer en prof.dr.ir. Anja Palmans.