Ústav makromolekulární chemie AV ČR
banner

NMR spektroskopie

2D 11B TQ/MAS NMR spektrum bortezomibuNukleární Magnetická Rezonance (NMR) je jednou z nejdůležitějších spektroskopických metod používaných pro popis struktury a dynamiky molekul a makromolekul v chemickém, biologickém, farmaceutickém či materiálovém výzkumu. Význam této metody dokumentuje fakt, že za vývoj NMR spektroskopie bylo uděleno již šest Nobelových cen (O. Stern (1943), I.I. Rabi (1944), F. Bloch a E.M. Purcell (1952), R.R.Ernst (1991), K. Wüthrich (2002), P.C. Lauterbur a P. Mansfield (2003)). Moderní techniky NMR spektroskopie umožňují zkoumat vlastnosti molekul jak v roztoku, tak i v pevné fázi. Díky rozlišení a selektivitě NMR experimentů tak dnes běžně popisujeme 3D molekulární uspořádání i u takových látek, které neposkytují krystaly vhodné k rentgenové difrakci. Proto můžeme NMR spektroskopii směle považovat za metodu komplementární k rentgenové difrakci.

Rozvoj NMR krystalografie pro farmaceuticky aktivní látky a materiály tak dnes patří mezi naše klíčové výzkumné směry. S tím velmi úzce souvisí výzkum struktury a fázových přechodů syntetických termoresponzivních polymerů pro biomedicinální aplikace či výzkum komplexních interakcí a chování přírodních polymerů, například polysacharidů jako jsou alginátové gely pro buněčné transplantace. Dnes lze ale nalézt významné aplikace NMR spektroskopie také při vývoji nových katalyzátorů na bázi mřížkových materiálů, což je základní oblast výzkumu Společné laboratoře NMR spektroskopie pevného stavu, kterou provozujeme s partnerským Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. S činností této laboratoře pak úzce souvisí výzkum iontově či elektricky vodivých materiálů pro energetické aplikace či pokročilých funkčních materiálů a polymerních (nano)kompozitů. Celková šíře výzkumu oddělení tak pokrývá jak současné trendy materiálové vědy, tak i potřeby výzkumných center ústavu. Navíc také přímo reflektuje nový přístup k výzkumu v Akademii věd České republiky formulovaný do Strategie AV21, který je založen na mezioborové a meziinstitucionální spolupráci. Centrum STRUCTURE a v něm integrovaná Společná laboratoř NMR spektroskopie pevného stavu pak představují jádro výzkumného programu Molekuly a materiály pro život, který koordinují (aktuální dění a novinky naleznete zde).

NMR krystalografie pro farmaceuticky aktivní látky a materiály

Vývoj nové generace lékových přípravků se při sofistikované syntéze aktivních substancí neobejde bez detailního pohledu do jejich struktury. Nukleární magnetická rezonance (NMR) schopná detailně zkoumat stav pevných látek, se ukazuje být takřka univerzální metodou. Právě ve Společné laboratoři NMR spektroskopie pevného stavu ve spolupráci s vysokými školami a farmaceutickými společnostmi se zdokonalují nové postupy analytických technik NMR krystalografie, umožňující efektivní a spolehlivé monitorování výroby farmakoproduktů, snadnou a bezpečnou identifikaci příměsí a detailní popis krystalové struktury farmaceuticky aktivních látek.

DOI (Cryst Growth Des 2019)       MOL&MAT

DOI (Macromolecules 2018)        MOL&MAT

DOI (Cryst Growth Des 2018)      MOL&MAT

Peptidové deriváty kyseliny boronové a jejich unikátní struktura. Organické sloučeniny obsahující bor jsou již dlouho známé jako účinné léčivé látky. Nedávné výzkumy vedly k objevení mnoha slibných vysoce účinných farmaceutických prostředků vykazujících protirakovinnou a antibakteriální aktivitu. Pro plné využití těchto systémů jsme formulovali efektivní experimentální procedury, které umožňují rychle a spolehlivě popsat vznik unikátních struktur těchto látek v pevném stavu. Díky schopnosti přesně popsat všechny procesy, ke kterým dochází při výrobě a formulaci léčiv, se tak otevřela další cesta k optimalizaci nových vysoce aktivních kancerostatik.

DOI (Phys Chem Chme Phys 2017)      MOL&MAT

DOI (Langmuir 2016)                  MOL&MAT

DOI (Cryst Growth Des 2016)      MOL&MAT

Hybridní materiály a nanomateriály ve službách medicíny. V oblasti nanomedicíny nedávné úsilí o optimalizaci terapeutické účinnosti nově objevených léčiv vedlo k formulaci originálních nanostrukturních systémů, které umožňují nejen cílené doručení léčiva, jeho řízené uvolňování, ale také kombinují výhody pevných a kapalných lékových forem. Ve spolupráci s farmaceutickými společnostmi soustavně rozvíjíme experimentálně-výpočetní strategie, které poskytují jasný pohled na strukturu těchto komplexních systémů polymerních mikročástic pro podávání léků, často exotických fází léčiv (organogelů), které reprezentují netradiční formu hmoty, nacházející se na rozhraní kapalné a pevné fáze.

DOI (Mol Pharamceutics 2017)             MOL&MAT

 

 

 

 

 

 

Struktura polysacharidů a fázové přeměny alginátových gelů

V souvislosti s vývojem nových biomateriálů se zabýváme přírodními polysacharidy jako je celulóza, škroby, algináty, chitosány či glukány.

Algináty, přirozeně se vyskytující biopolymery získané z hnědých mořských řas, v současné době nacházejí rostoucí uplatnění v mnoha oblastech lidského života. Jsou široce používány jako nosiče bioaktivních látek, v tkáňovém inženýrství pro transplantaci buněk, v regenerativní medicíně jako ochranná vrstva mezi poškozenou tkání a obvazem či ve spojení s živými buňkami, kdy slouží jako inkoust do 3D tiskáren pro tisk matrice lidských orgánů, např. ucha, a v dalších oblastech moderní medicíny.

DOI (Biomacromolecules 2019)   MOL&MAT

DOI (Biomacromolecules 2017)   MOL&MAT

Po chemické stránce jsou algináty polysacharidy tvořené manurátem (M) a guluronátem (G). Gel vzniká v přítomnosti dostatečného množství vícemocných iontů, které jsou především vázány sekvencemi G úseků obsahujících alespoň čtyři jednotky guluronové kyseliny. Sekvence bohaté na M bloky naopak hrají klíčovou roli mediátorů při samouspořádávání alginátových gelů. Překvapivě je však jen velmi málo známo o interakcích alginátů a jejich strukturních transformacích ve fyziologickém prostředí, tedy prostředí podobné živým organismům.

Pokročilé polymerní kompozity a iontově a elektricky vodivé materiály pro energetické aplikace

Čistá energie, globální oteplování, snižování emisí – termíny často skloňované v nejrůznějších významech a souvislostech. Ať už jsou tyto souvislosti vnímané pozitivně či negativně, jedno je jisté: zdroje energie alternativní ke spalování fosilních paliv se postupně začínají prosazovat a to v nejrůznějších oblastech života společnosti. Jednou z těchto oblastí je vývoj hybridních a plně elektrických dopravních prostředků či vývoj účinných solárních článků. V této souvislosti se vědecký zájem soustřeďuje na hledání, syntézu, testování a optimalizaci nových anorganických či hybridních anorganicko-organických funkčních materiálů vykazujících elektrickou či iontovou vodivost.

DOI (ACS Appl Energy Mater 2019)

DOI (Nature Communications 2020)

DOI (Macromoecules 2015)

Polymerní materiály či metal-organické mřížky díky své obrovské strukturní variabilitě a komplexnosti představují třídu materiálů, které nabízejí jak potřebné fyzikálně-chemické vlastnosti, tak i možnosti tyto vlastností dále modifikovat, optimalizovat a kontrolovat směrem k lepšímu výkonu v Li-iontových bateriích. Výzkum struktury vodivých polymerů a probíhajících jevů je však pro nás a NMR spektroskopii značnou výzvou.

DOI (Inorg Chem 2020)

DOI (ACS Omega 2019)

 

 

 

 

 

 

Anorganické mřížkové materiály a NMR spektroskopie širokých signálů

Lidstvo se neobejde bez chemické výroby. Drtivá většina chemických výrobních postupů používaných v průmyslu využívá různých katalytických procesů. K dosažení chemické výroby co nejšetrnější k životnímu prostředí je proto zapotřebí vyvíjet co nejselektivnější (tj. nejméně odpady produkující), energeticky nejméně náročné procesy využívající surovin vhodných z hlediska trvalé udržitelnosti.

DOI (Angewandte 2015)

DOI (Inorg Chem 2018)

V současnosti představují nejširší a nejvýznamnější skupinu průmyslově využívaných katalyzátorů zeolity. To jsou složité hlinitoktřemičitany, krystalické materiály tvořené převážně tetraedry SiO4 spojenými přes své vrcholy. Výzkumu struktury těchto potenciálně katalytických systémů věnujeme ve spolupráci s Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského v rámci programu Molekuly a materiály pro život AV ČR značnou pozornost.

DOI (JPhys Chem C 2016)

DOI (Langmuir 2016)

Struktura a chování termoresponzivních polymerů pro biomedicinální využití

Struktura, interakce a dynamické procesy probíhající při rozsáhlých fázových transformacích syntetických polymeru v roztocích patří neodmyslitelně k jednomu z klíčových témat našeho výzkumu. Dnes se soustřeďujeme na multiresponzivní polymery, které vedle očekávané odezvy na změnu teploty, vykazuji i odezvu na změnu pH, iontové sily roztoku či silně interaguji s elektromagnetickým zářením.

DOI (ACS Omega 2018)