Gels worden gevormd door polymeren in vloeistoffen te mengen om kleverige stoffen te creëren die voor alles nuttig zijn, van het op zijn plaats houden van het haar tot het laten drijven van contactlenzen over het oog.

Onderzoekers willen gels ontwikkelen voor toepassingen in de gezondheidszorg door medicinale stoffen te mengen, en het geven van injecties aan patiënten zodat de gel het actieve farmaceutische ingrediënt over een periode van maanden afgeeft om wekelijkse of dagelijkse naaldprikken te vermijden.

Maar in de weg staan ​​is een probleem dat net zo gemakkelijk te begrijpen is als het verschil tussen het gebruik van haargel op een strand of in een sneeuwstorm - hitte en kou veranderen het karakter van de gel.

"We kunnen gels maken met de juiste langzame afgifte-eigenschappen bij kamertemperatuur, maar als we ze eenmaal hebben geïnjecteerd, lichaamswarmte zou ze snel oplossen en de medicijnen te snel vrijgeven, " zei Eric Appel, assistent-professor materiaalkunde en techniek.

In een paper gepubliceerd op 2 februari in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Appel en zijn team beschrijven hun succesvolle eerste stap naar het maken van temperatuurbestendige, injecteerbare gels met een brouwsel ontworpen om de wetten van de thermodynamica slim te buigen.

Appel legde de wetenschap achter deze regelovertreding uit met een analogie met het maken van Jello:de vaste ingrediënten worden in water gegoten, vervolgens verwarmd en geroerd om goed te mengen. Terwijl het mengsel afkoelt, de Jello stolt als de moleculen aan elkaar binden. Maar als de Jello wordt opgewarmd, de vaste stof wordt weer vloeibaar.

Het Jello-voorbeeld illustreert het samenspel tussen twee thermodynamische concepten:enthalpie, die de energie meet die wordt toegevoegd aan of afgetrokken van een materiaal, en entropie, die beschrijft hoe energieveranderingen een materiaal min of meer ordelijk maken op moleculair niveau. Appel en zijn team moesten een medicinale Jello maken die niet smolt, waardoor zijn time-release-eigenschappen verloren gaan, wanneer de koele vaste stof werd verwarmd door het lichaam.

Om dit te bereiken, het Stanford-team creëerde een gel gemaakt van twee vaste ingrediënten:polymeren en nanodeeltjes. De polymeren waren lang, spaghetti-achtige strengen die een natuurlijke neiging hebben om verstrikt te raken, en de nanodeeltjes, slechts 1/1000ste van de breedte van een mensenhaar, stimuleerde die neiging. De onderzoekers begonnen met het afzonderlijk oplossen van de polymeren en deeltjes in water en vervolgens door elkaar te roeren. Toen de vermengde ingrediënten begonnen te binden, de polymeren strak om de deeltjes gewikkeld. "We noemen dit ons moleculaire klittenband, " zei eerste auteur Anthony Yu, die het werk deed als een afgestudeerde student aan Stanford en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan het MIT.

De krachtige affiniteit tussen de polymeren en deeltjes drukte de watermoleculen uit die ertussen waren gevangen, en naarmate meer polymeren en deeltjes stolden, het mengsel begon bij kamertemperatuur te geleren. Cruciaal, dit geleerproces werd bereikt zonder energie toe te voegen of af te trekken. Toen de onderzoekers deze gel blootstelden aan de lichaamstemperatuur (37,5 C), werd deze niet vloeibaar zoals gewone gels, omdat het moleculaire klittenbandeffect entropie en enthalpie mogelijk maakte - ordelijkheid en temperatuurverandering, respectievelijk - om ongeveer in evenwicht te blijven in overeenstemming met de thermodynamica.

Appel zei dat het meer werk zal vergen om injecteerbaar te maken, gels met time-release die veilig zijn voor menselijk gebruik. Hoewel de polymeren in deze experimenten biocompatibel waren, de deeltjes waren afgeleid van polystyreen, die vaak wordt gebruikt om wegwerpbestek te maken. Zijn lab probeert al deze thermodynamisch neutrale gels te maken met volledig biocompatibele componenten.

Als ze succesvol zijn, een gel met time-release zou waardevol kunnen zijn voor het verstrekken van antimalaria- of anti-HIV-behandelingen in gebieden met onvoldoende middelen waar het moeilijk is om de kortwerkende remedies die momenteel beschikbaar zijn, toe te dienen.

"We proberen een gel te maken die je met een speld kunt injecteren, en dan zou je een kleine klodder hebben die heel langzaam zou oplossen gedurende drie tot zes maanden om continue therapie te bieden, "Zei Appel. "Dit zou een game-changer zijn voor de bestrijding van kritieke ziekten over de hele wereld."