Katheters, intraveneuze lijnen, en andere soorten chirurgische slangen zijn een medische noodzaak voor het behandelen van een breed scala aan ziekten. Maar de ervaring van een patiënt met dergelijke apparaten is zelden een comfortabele ervaring.

Nu hebben MIT-ingenieurs een gelachtig materiaal ontworpen dat kan worden gecoat op standaard plastic of rubberen apparaten, zorgen voor een zachtere, gladdere buitenkant die het ongemak van een patiënt aanzienlijk kan verlichten. De coating kan zelfs worden aangepast om tekenen van infectie te controleren en te behandelen.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg , het team beschrijft hun methode voor het sterk hechten van een laag hydrogel - een squishy, glibberig polymeermateriaal dat voornamelijk uit water bestaat - tot gewone elastomeren zoals latex, rubber, en siliconen. Het resultaat zijn "hydrogel-laminaten" die tegelijk zacht, rekbaar, en glad, en ondoordringbaar voor virussen en andere kleine moleculen.

De hydrogelcoating kan worden ingebed met verbindingen om te voelen, bijvoorbeeld, inflammatoire moleculen. Geneesmiddelen kunnen ook worden opgenomen in en langzaam worden vrijgegeven uit de hydrogelcoating, om ontstekingen in het lichaam te behandelen.

Het team, geleid door Xuanhe Zhao, de Robert N. Noyce Career Development Associate Professor in de afdeling Werktuigbouwkunde aan het MIT, gebonden lagen hydrogel op verschillende op elastomeer gebaseerde medische hulpmiddelen, inclusief katheters en intraveneuze slangen. Ze ontdekten dat de coatings extreem duurzaam waren, bestand tegen buigen en draaien, zonder te kraken. De coatings waren ook extreem glad, vertonen veel minder wrijving dan standaard ongecoate katheters - een kwaliteit die het ongemak van patiënten zou kunnen verminderen.

De groep bracht ook hydrogel aan op een ander veelgebruikt elastomeerproduct:condooms. Naast het verbeteren van het comfort van bestaande latex condooms door wrijving te verminderen, een coating van hydrogel kan hun veiligheid helpen verbeteren, omdat de hydrogel kan worden ingebed met medicijnen om een ​​latexallergie tegen te gaan, zeggen de onderzoekers.

"We hebben aangetoond dat hydrogel echt het potentieel heeft om gewone elastomeren te vervangen, " zegt Zhao. "Nu hebben we een methode om gels te integreren met andere materialen. We denken dat dit het potentieel heeft om te worden toegepast op een breed scala aan medische apparaten die in verbinding staan ​​met het lichaam."

Zhao's co-auteurs zijn hoofdauteur en afgestudeerde student German Parada, afgestudeerde studenten Hyunwoo Yuk en Xinyue Liu, en gastwetenschapper Alex Hsieh.

Een gel op maat

Zhao's groep ontwikkelde eerder recepten om taaie, rekbare hydrogels van mengsels die voornamelijk uit water en een beetje polymeer bestaan. Ze ontwikkelden een techniek om hydrogels aan elastomeren te binden door eerst oppervlakken zoals rubber en siliconen te behandelen met benzofenon, een moleculaire oplossing die bij blootstelling aan ultraviolet licht, creëert sterke chemische bindingen tussen het elastomeer en de hydrogel.

De onderzoekers pasten deze technieken toe om een ​​hydrogellaminaat te vervaardigen:een laag elastomeer tussen twee lagen hydrogel. Vervolgens hebben ze de laminaatstructuur aan een reeks mechanische tests onderworpen en ontdekten dat de structuur sterk gehecht bleef, zonder scheuren of barsten, zelfs wanneer uitgerekt tot meerdere keren de oorspronkelijke lengte.

Het team plaatste ook de laminaatstructuur in een tweekamertank, aan de ene kant gevuld met gedeïoniseerd water en aan de andere kant met moleculaire kleurstof. Na een paar uur, het laminaat verhinderde dat kleurstof van de ene kant van de kamer naar de andere kon migreren, terwijl een laag hydrogel alleen de kleurstof doorlaat. De elastomeerlaag van het laminaat, zij concludeerden, maakte de structuur als geheel sterk ondoordringbaar - een kenmerk waarvan ze redeneerden dat het ook zou kunnen voorkomen dat virussen en andere kleine moleculen er doorheen gaan.

Bij andere testen het team heeft pH-waarnemende moleculen chemisch gemengd in de laag hydrogel die een kant van de elastomeerlaag bekleedt, en groene voedselkleurstof in de tegenoverliggende hydrogellaag. Ze plaatsten opnieuw de hele structuur in de tweekamertank en vulden beide zijden met gediiniseerd water.

Toen de onderzoekers de zuurgraad van het water van de tank veranderden, ze zagen dat de delen van de hydrogel met pH-indicatoren oplichtten. In de tussentijd, de groene kleurstof sijpelde langzaam uit de tegenoverliggende hydrogellaag in de tweede tank, het nabootsen van de werking van medicijnmoleculen.

"We kunnen pH-gevoelige moleculen in hydrogels stoppen, of medicijnen die geleidelijk worden vrijgegeven, " zegt Parada. "Voor verschillende toepassingen, we kunnen de gel aanpassen aan die toepassing."

knopen leggen

Als eerste kennismaking met mogelijke toepassingen voor hydrogellaminaten, de onderzoekers gebruikten hun eerder ontwikkelde technieken om hydrogel op verschillende elastomeerapparaten te coaten, inclusief siliconen slang, een Foley-katheter, en een condoom. "Onze eerste grote focus was katheters, omdat ze stijf en niet erg comfortabel zijn, en infectie van katheters kan ongeveer 50 procent van de heropnames in ziekenhuizen veroorzaken, " zegt Parada. "We dachten ook dat we dit konden toepassen op condooms, omdat bestaande latex condooms veel gevoeligheden en allergieën veroorzaken, en als je medicijnen in de gel kunt doen, je zou een betere bescherming kunnen hebben."

Zelfs na het scherp buigen en vouwen van de gecoate buis tot een knoop, de onderzoekers ontdekten dat de hydrogelcoating sterk aan de slang gehecht bleef zonder scheuren te veroorzaken. Hetzelfde gold toen de onderzoekers zowel de gecoate katheter als het gecoate condoom opbliezen.

Parada zegt dat de afmetingen van een hydrogellaminaat kunnen worden afgestemd op verschillende apparaten. Bijvoorbeeld, wetenschappers kunnen een dikker elastomeer kiezen om de stijfheid van een laminaat te vergroten, of gebruik een dikkere coating van hydrogel om meer medicijnmoleculen of sensoren op te nemen. Hydrogels kunnen ook worden ontworpen om min of meer glad te zijn, afhankelijk van de gewenste wrijving.

"We hebben de mogelijkheid om grootschalige hydrogelstructuren te fabriceren die medische apparaten kunnen coaten, en de hydrogel zal het lichaam niet in beroering brengen, " zegt Zhao. "Dit is een technologisch platform waarop je veel toepassingen kunt bedenken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.