Onderzoekers van Princeton hebben ontdekt dat wanneer water rond lange plastic vezels stroomt, de flexibele vezeldraden verstrengelen als een bord spaghetti. In plaats van een warboel, echter, dit product is in feite een zeer nuttig materiaal dat bekend staat als een hydrogel.

Een halve eeuw lang onderzocht, hydrogels vinden steeds meer toepassingen in gebieden zoals kunstmatige weefselengineering, aanhoudende toediening van medicijnen, chirurgische kleefstoffen en 3D-bioprinting - althans gedeeltelijk vanwege hun overeenkomsten met levend weefsel, zacht zijn, poreus en meestal gemaakt van water.

Normaal gesproken, het genereren van hydrogels vereist chemische reacties en interacties tussen een reeks voorlopermaterialen. De nieuwe Princeton-hydrogel, Hoewel, wordt gevormd door het afschuivende effect van de vezels die tegen elkaar schuiven wanneer ze door een injectiespuit worden geperst. Deze chemicaliënvrije methode wijst in de richting van een nieuwe klasse van injecteerbare hydrogels die taken uitvoeren zoals het dichten en behandelen van wonden.

"Het bestuderen van de stroom van materie in suspensies die zulke zeer flexibele vezels bevatten, was nog nooit eerder geprobeerd, " zei Antonio Perazzo, co-lead auteur van een artikel in september in the Proceedings van de National Academy of Sciences het idee te rapporteren en de resultaten te beschrijven. "Het nastreven van nieuw onderzoek heeft ons dit ongekende resultaat gegeven van door stroming geïnduceerde gelering met flexibele vezels."

Perazzo is een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van paper co-auteur Howard Stone, de Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan Princeton. Perazzo begon het onderzoek als gastdocent in het lab van Stone. Een co-auteur Stefano Guido, een professor in chemische technologie aan de Universiteit van Napels in Italië, was Perazzo's Ph.D. adviseur.

"Opmerkelijk, de vezelsuspensie kan door een spuitnaald worden geëxtrudeerd als een volledig gevormde zachte, uitbreidbare gel, " zei Janine Nunes, een postdoctoraal onderzoeker ook in Stone's lab in Princeton en een co-hoofdauteur van het artikel. "Deze gemakkelijke manier om een ​​hydrogel te maken zou veel toepassingen in de biogeneeskunde kunnen openen."

Het fenomeen dat ervoor zorgt dat de vezels verstevigen en geleren onder spanning, staat bekend als afschuifverdikking. Gewoonlijk, een mengsel van vezels en water zal het tegenovergestelde effect hebben, afschuiving dunner, en minder dik worden, of stroperig, wanneer ingedrukt; denk aan hoe een lepel in een kom noedelsoep valt.

Maar sommige brouwsels kunnen contra-intuïtief reageren door verdikking. Misschien wel het bekendste voorbeeld is maïszetmeel en water. Onder matige stress, de zetmeelkorrels zijn zo sterk met elkaar verbonden dat iemand zelfs op het met zetmeel gevulde water kan stappen en niet meteen zinkt.

"YouTube staat vol met video's van mensen die over zwembaden lopen die gevuld zijn met maïszetmeel, " zei Perazzo. "Als mensen snel over het zwembad lopen, ze zullen niet zinken, omdat de viscositeit omhoog gaat tijdens het lopen. Dat is afschuifverdikking."

De Princeton-onderzoekers onderzochten hoe dit effect gebeurt met microvezels die Nunes in het lab maakte met poly(ethyleenglycol)diacrylaat (PEG-DA), een niet-giftige, flexibel, biocompatibel plastic. De vezels hadden een diameter van 35 micrometer en een lengte van ongeveer 12 millimeter. of ongeveer 340 keer zo lang als ze breed zijn. Wanneer het voor het eerst in water wordt gedaan, die vezels bestonden in een vrij vloeiende, onverstoorde staat. Perazzo goot de suspensie vervolgens in een apparaat dat een rheometer wordt genoemd, die meet hoe vloeistoffen reageren op uitgeoefende krachten. Het mengsel vulde een opening tussen twee platen, waarbij de bodemplaat stationair blijft terwijl de bovenplaat draait, druk uitoefenen en de vezels en het water ronddraaien.

De vezels gebogen in de stromende vloeistof, in elkaar grijpende en lussen in klitten en knopen. De groeiende massa knoestige vezels gescheiden van het water, met wat water erin opgesloten, een met water gevuld netwerk creëren en het materiaal voorzien van goopy, hydrogel-achtige eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen worden gewijzigd door de diameters en lengte van de microvezels aan te passen, die het vergrendelingsgedrag beïnvloedt.

Norman Wagner, de Unidel Robert L. Pigford Chair of Chemical and Biomolecular Engineering aan de University of Delaware, die niet betrokken was bij het onderzoek, beschreef het als "creatief en inventief" voor het demonstreren van "nieuwe, microgestructureerde materialen die worden getriggerd door stromingsvelden om een ​​hydrogelmateriaal te creëren."

"Er zijn een aantal zelf-geassembleerde oppervlakteactieve stoffen en polymere colloïde systemen die 'shake-gel' kunnen vormen door middel van gecombineerde chemische stroommiddelen, "Wagner voegde toe, "maar dit [materiële systeem] doet dit eenvoudig door topologie - inderdaad slim."

Verder onderzoek zal de mechanica van de afschuifverdikking onderzoeken, met het oog op het optimaliseren van de gelering van het materiaal als het door een injectiespuit gaat. Ook willen de onderzoekers onderzoeken of de suspensie kan worden gecombineerd met deeltjes zoals antibiotica, voedingsstoffen of biomoleculen die van belang zijn voor een reeks toepassingen.

"We kunnen ons voorstellen dat deze gemakkelijk injecteerbare hydrogels worden gemaakt met verschillende soorten medicijnen die gunstig zijn voor wondgenezing, bijvoorbeeld, "zei Stone. "Er is een aanzienlijke multifunctionaliteit die je uit een materiaal met deze eigenschappen kunt halen."