Producten zoals cosmetica, lijmen, en verven zijn afhankelijk van een gemeenschappelijk hoofdbestanddeel:gels. Polymeer gels, een geltype met unieke eigenschappen, hebben de interesse van onderzoekers gewekt vanwege hun potentiële toepassingen in medische toepassingen.

Studies hebben aangetoond dat het wijzigen van de structuren van polymeergels hun eigenschappen aanzienlijk kan beïnvloeden, maar het is onduidelijk waarom. Om te leren hoe en waarom dat gebeurt, een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE) gebruiken neutronenverstrooiing om dieper te kijken.

Polymeergels zijn opgebouwd uit polymeerketens met verbindingen die ze verbinden. Als thermodynamische omstandigheden veranderen, de afmetingen van de knooppunten veranderen ten opzichte van de kettingen die ze verbinden. De veranderingen kunnen ervoor zorgen dat de gels sterker worden en betere responseigenschappen ontwikkelen. Om deze relaties te onderzoeken, de onderzoekers gebruiken het EQ-SANS-instrument bij ORNL's Spallation Neutron Source - een DOE Office of Science User Facility.

"We proberen de rol van de junctiegrootte te begrijpen en hoe de junctie-interacties bijdragen aan de mechanische eigenschappen van de gel, " zei Christopher Lam, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL.

Polymeergels zijn nuttig voor medicijnafgifte omdat hun structuren zich aanpassen aan veranderingen in hun omgeving. Bijvoorbeeld, een polymeergel met temperatuurresponseigenschappen zou gemakkelijk kunnen vloeien bij kamertemperatuur, maar dan verstijven in een warmere omgeving zoals het menselijk lichaam. Dit soort gels kan ervoor zorgen dat wanneer een medicijn in het lichaam wordt geïnjecteerd, het blijft in het gebied dat het moet beïnvloeden.

evenzo, polymeergels met drukresponseigenschappen kunnen zo worden ontworpen dat ze gemakkelijk vloeien onder lage druk in een injectiespuit, maar vervolgens verstijven als de gel wordt uitgeworpen en de druk toeneemt.

Neutronen zijn goede sondes van materialen zoals polymeergels, grotendeels vanwege hun gevoeligheid voor waterstof en zijn isotoop, deuterium. Met behulp van een unieke techniek die bekend staat als contrastaanpassing, onderzoekers hebben een deel van de waterstofatomen in de gel vervangen door deuterium, waardoor specifieke structurele componenten door de neutronen konden worden benadrukt.

Door gebruik te maken van de nieuwe rheo-SANS-omgeving van het EQ-SANS-instrument, konden de onderzoekers de gels onderwerpen aan schuifspanning - spanning evenwijdig aan de dwarsdoorsnede van het materiaal. als twee platen die langs elkaar glijden - en observeer de bijbehorende veranderingen in structuur.

Door te vergelijken hoe de structuren van gels met grote knooppunten en die met kleine knooppunten afschuiven en vervormen, de onderzoekers kunnen beginnen te begrijpen hoe de grootte van gelverbindingen de geleigenschappen kan beïnvloeden. Met behulp van hun bevindingen, de onderzoekers kunnen manieren vinden om verbeterde polymeergels te ontwikkelen.

"Als we de structuur van de gels begrijpen, dat geeft ons in feite een beter kader, "zei Lam. "Dan kunnen we zeggen 'we hebben deze woning nodig, dit chemische ontwerp, en deze verhouding van componenten en concentratie.'

"Ik probeer altijd een balans te vinden tussen hoeveel we fundamenteel doen en hoe we dat kunnen toepassen op iets dat we zullen gebruiken. Ik probeer dit fundamentele begrip te gebruiken om echt betere biomedische gels te ontwerpen."

Andere onderzoekers van dit experiment zijn hoofdonderzoekers Bradley D. Olsen van het Department of Chemical Engineering aan het MIT, Wei-Ren Chen van ORNL, en Michelle Calabrese, een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT. Het onderzoek wordt ondersteund door DOE's Office of Science.