Ny teknik skaber forudsigeligt kompleks, bølgede former

Hydrogelernes fleksible egenskaber - meget absorberende, gelatinøse polymerer, der krymper og ekspanderer afhængigt af miljøforhold som fugtighed, pH og temperatur - har gjort dem ideelle til brug fra kontaktlinser til babybleer og klæbemidler.

I de seneste år, forskere har undersøgt hydrogels potentiale i lægemiddellevering, manipulere dem til narkotika-bærende køretøjer, der brister, når de udsættes for visse miljømæssige stimuli. Sådanne vesikler kan langsomt frigive deres indhold på en kontrolleret måde; de kan endda indeholde mere end én type lægemiddel, frigivet på forskellige tidspunkter eller under forskellige forhold.

Imidlertid, det er svært at forudsige, hvordan hydrogeler vil briste, og indtil nu har det været svært at kontrollere den form, som en hydrogel omdannes til. Nick Fang, lektor i maskinteknik ved MIT, siger at forudsige, hvordan hydrogeler transformerer, kan hjælpe med at designe mere komplekse og effektive lægemiddelleveringssystemer.

"Hvilken slags form er mere effektiv til at flyde gennem blodbanen og binde sig til en cellemembran?" siger Fang. "Med ordentlig viden om, hvordan geler svulmer, vi kan begynde at skabe mønstre efter vores ønske."

Fang og postdoc Howon Lee, sammen med kolleger ved Arizona State University, studerer mekanikken bag formskiftende hydrogeler:leder efter forhold mellem en hydrogelstrukturs oprindelige form, og mediet, hvori det transformeres, for at forudsige dens endelige form. I et papir, der skal vises i Physical Review Letters, forskerne rapporterer, at de nu kan skabe og forudsige komplekse former-herunder stjerneformede rynker og bølger-fra hydrogeler.

Resultaterne kan give et analytisk grundlag for at designe indviklede former og mønstre fra hydrogeler.

Fra PowerPoint til 3D

For at skabe forskellige hydrogelstrukturer, Fang og hans samarbejdspartnere brugte et eksperimentelt setup, som Fang var med til at opfinde i 2000. I dette setup, forskere projicerer PowerPoint-slides, der viser forskellige former, på et bæger af lysfølsom hydrogel, får det til at antage de former, der er afbildet i diasene. Når der først dannes et hydrogellag, forskerne gentager processen, skabe endnu et hydrogellag oven på det første og til sidst opbygge en tredimensionel struktur i en proces, der ligner 3-D-print.

Ved hjælp af denne teknik, holdet skabte cylindriske former af forskellige dimensioner, suspendere strukturerne i væske for at observere, hvordan de transformerede sig. Alle cylindre blev til bølgede, stjerneformede strukturer, men med karakteristiske forskelle:Kort, brede cylindre udviklede sig til strukturer med flere rynker, hvorimod høj, slanke cylindre forvandlet til mindre rynkede former.

Fang konkluderede, at når en hydrogel udvider sig i væske, forskellige kræfter virker for at bestemme dens endelige form.

"Denne form for rørstruktur har to måder at deformere på, " siger Fang. "Den ene er, at den kan bøje sig, og den anden er, at den kan spænde, eller klem. Så disse to tilstande konkurrerer faktisk med hinanden, og højden fortæller, hvor stiv den er til at bøje, mens diameteren fortæller, hvor let det er at strække. ”

Ud fra deres observationer, teamet udarbejdede en analytisk model, der repræsenterede forholdet mellem en strukturs oprindelige højde, diameter og tykkelse og dens ultimative form. Fang siger, at modellen kan hjælpe videnskabsmænd med at designe specifikke former til mere effektive lægemiddelleveringssystemer.

Rynker naturligt

Fang siger, at gruppens resultater også kan hjælpe med at forklare, hvordan komplekse mønstre skabes i naturen. Han peger på peberfrugter - hvis tværsnit kan variere meget i form - som et eksempel:Lille, krydret peber har tendens til at være trekantet i tværsnit, hvorimod større peberfrugter er mere stjerneformede og bølgede. Fang spekulerer i, at det, der bestemmer en pebers form, og dets antal af bølger eller rynker, er dens højde og diameter.

Fang siger, at det samme princip kan forklare andre indviklede former i naturen - fra folder i hjernens cortex til rynker i fingeraftryk og andre biologiske væv, der "udnytter mekanisk ustabilitet til at skabe et væld af komplekse mønstre."

Katia Bertoldi, en adjunkt i anvendt mekanik ved Harvard University, siger Fangs analyse vil give forskere mulighed for at kontrollere ekspansion og kollaps af enheder fremstillet af hydrogeler og andre bløde materialer.

"Det bemærkelsesværdige er, at der er en overensstemmelse mellem teori og eksperimenter, siger Bertoldi. "Du kan bruge disse beregninger til at fremstille nye designs som lægemiddelleveringssystemer og blød robotik. Systemet tilbyder virkelig nye muligheder for design af disse meget deformerbare genstande."

Holdet planlægger at studere og forudsige flere hydrogelformer i fremtiden for at hjælpe videnskabsmænd med at designe lægemiddelvesikler, der transformerer forudsigeligt.

Forskningen blev støttet af National Science Foundation og Lawrence Livermore National Laboratory.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.