De flexibele eigenschappen van hydrogels — zeer absorberend, gelatineuze polymeren die krimpen en uitzetten afhankelijk van omgevingsomstandigheden zoals vochtigheid, pH en temperatuur — hebben ze ideaal gemaakt voor toepassingen van contactlenzen tot babyluiers en kleefstoffen.

In recente jaren, onderzoekers hebben het potentieel van hydrogels bij medicijnafgifte onderzocht, construeren ze in drugsdragende voertuigen die scheuren wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde omgevingsstimuli. Dergelijke blaasjes kunnen hun inhoud langzaam en gecontroleerd vrijgeven; ze kunnen zelfs meer dan één soort medicijn bevatten, vrijgegeven op verschillende tijdstippen of onder verschillende omstandigheden.

Echter, het is moeilijk te voorspellen hoe hydrogels zullen scheuren, en tot nu toe was het moeilijk om de vorm te controleren waarin een hydrogel verandert. Nick Fang, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, zegt dat voorspellen hoe hydrogels transformeren, zou kunnen helpen bij het ontwerpen van complexere en effectievere toedieningssystemen voor medicijnen.

"Welke vorm is efficiënter om door de bloedbaan te stromen en zich aan een celmembraan te hechten?", zegt Fang. “Met de juiste kennis van hoe gels opzwellen, we kunnen naar eigen wens patronen gaan genereren.”

Fang en postdoc Howon Lee, samen met collega's van de Arizona State University, bestuderen de mechanica van vormveranderende hydrogels:zoeken naar relaties tussen de initiële vorm van een hydrogelstructuur, en het medium waarin het transformeert, om zijn uiteindelijke vorm te voorspellen. In een paper dat zal verschijnen in Physical Review Letters, de onderzoekers melden dat ze nu complexe vormen kunnen maken en voorspellen - inclusief stervormige rimpels en golven - van hydrogels.

De bevindingen kunnen een analytische basis vormen voor het ontwerpen van ingewikkelde vormen en patronen van hydrogels.

Van PowerPoint naar 3-D

Om verschillende hydrogelstructuren te creëren, Fang en zijn medewerkers gebruikten een experimentele opstelling die Fang in 2000 hielp uitvinden. In deze opstelling, onderzoekers projecteren PowerPoint-dia's met verschillende vormen op een beker met lichtgevoelige hydrogel, waardoor het de vormen aanneemt die op de dia's worden afgebeeld. Zodra zich een hydrogellaag vormt, de onderzoekers herhalen het proces, het creëren van een andere hydrogellaag bovenop de eerste en uiteindelijk het opbouwen van een driedimensionale structuur in een proces dat lijkt op 3D-printen.

Met behulp van deze techniek, het team creëerde cilindrische vormen van verschillende afmetingen, de structuren in vloeistof ophangen om te zien hoe ze getransformeerd zijn. Alle cilinders veranderden in golvend, stervormige structuren, maar met karakteristieke verschillen:Kort, brede cilinders evolueerden naar structuren met meer rimpels, overwegende dat lang, slanke cilinders omgevormd tot minder rimpelige vormen.

Fang concludeerde dat als een hydrogel uitzet in vloeistof, verschillende krachten werken om de uiteindelijke vorm te bepalen.

"Dit soort buisvormige structuur heeft twee manieren om te vervormen, ', zegt Fang. “Een daarvan is dat het kan buigen, en de andere is dat het kan knikken, of knijpen. Dus deze twee modi concurreren eigenlijk met elkaar, en de hoogte vertelt hoe stijf het is om te buigen, terwijl de diameter aangeeft hoe gemakkelijk het is om uit te rekken.”

Uit hun observaties, het team stelde een analytisch model op dat de relatie weergeeft tussen de initiële hoogte van een constructie, diameter en dikte en zijn uiteindelijke vorm. Fang zegt dat het model wetenschappers kan helpen bij het ontwerpen van specifieke vormen voor efficiëntere toedieningssystemen voor medicijnen.

Natuurlijk kreuken

Fang zegt dat de resultaten van de groep ook kunnen helpen verklaren hoe complexe patronen in de natuur worden gecreëerd. Hij wijst op paprika's - waarvan de doorsnede sterk kan variëren in vorm - als een voorbeeld:klein, pittige pepers hebben de neiging om driehoekig in dwarsdoorsnede te zijn, terwijl grotere paprika's meer stervormig en golvend zijn. Fang speculeert dat wat de vorm van een peper bepaalt, en het aantal golven of rimpels, is de hoogte en diameter.

Fang zegt dat hetzelfde principe andere ingewikkelde vormen in de natuur kan verklaren - van de plooien in de hersenschors tot rimpels in vingerafdrukken en andere biologische weefsels die "mechanische instabiliteit benutten om een ​​schat aan complexe patronen te creëren."

Katia Bertoldi, een assistent-professor toegepaste mechanica aan de Harvard University, zegt dat de analyse van Fang wetenschappers in staat zal stellen de uitzetting en ineenstorting van apparaten gemaakt van hydrogels en andere zachte materialen te beheersen.

“Opmerkelijk is dat er een match is tussen theorie en experiment, ' zegt Bertoldi. “Je kunt deze berekeningen gebruiken om nieuwe ontwerpen te maken, zoals medicijnafgiftesystemen en zachte robotica. Het systeem biedt echt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van deze sterk vervormbare objecten.”

Het team is van plan om in de toekomst meer hydrogelvormen te bestuderen en te voorspellen om wetenschappers te helpen bij het ontwerpen van medicijnblaasjes die voorspelbaar transformeren.

Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation en het Lawrence Livermore National Laboratory.

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.