Katetrar, intravenösa linjer, och andra typer av kirurgiska slangar är en medicinsk nödvändighet för att hantera ett brett spektrum av sjukdomar. Men en patients erfarenhet av sådana enheter är sällan bekväm.

Nu har MIT-ingenjörer designat ett gelliknande material som kan beläggas på vanliga plast- eller gummienheter, ger en mjukare, haltare exteriör som avsevärt kan lindra en patients obehag. Beläggningen kan till och med skräddarsys för att övervaka och behandla tecken på infektion.

I en tidning som publicerades i dag i tidskriften Avancerat vårdmaterial , teamet beskriver sin metod för att starkt binda ett lager av hydrogel – en squishy, hala polymermaterial som mestadels består av vatten - till vanliga elastomerer som latex, sudd, och silikon. Resultaten är "hydrogellaminat" som samtidigt är mjuka, töjbar, och hala, och ogenomtränglig för virus och andra små molekyler.

Hydrogelbeläggningen kan bäddas in med föreningar för att känna av, till exempel, inflammatoriska molekyler. Läkemedel kan också ingå i och långsamt frigöras från hydrogelbeläggningen, för att behandla inflammation i kroppen.

Laget, leds av Xuanhe Zhao, Robert N. Noyce karriärutvecklingsdocent vid avdelningen för maskinteknik vid MIT, bundna lager av hydrogel på olika elastomerbaserade medicinska apparater, inklusive katetrar och intravenös slang. De fann att beläggningarna var extremt hållbara, motstår böjning och vridning, utan att spricka. Beläggningarna var också extremt hala, uppvisar mycket mindre friktion än vanliga obestrukna katetrar - en kvalitet som kan minska patienternas obehag.

Gruppen belade också hydrogel på en annan allmänt använd elastomerprodukt:kondomer. Förutom att förbättra komforten hos befintliga latexkondomer genom att minska friktionen, en beläggning av hydrogel kan bidra till att förbättra deras säkerhet, eftersom hydrogelen kunde bäddas in med läkemedel för att motverka en latexallergi, säger forskarna.

"Vi har visat att hydrogel verkligen har potential att ersätta vanliga elastomerer, "Säger Zhao." Nu har vi en metod för att integrera geler med andra material. Vi tror att detta har potential att tillämpas på ett brett spektrum av medicinsk utrustning som gränsar till kroppen."

Zhaos medförfattare är huvudförfattare och doktorand German Parada, doktorander Hyunwoo Yuk och Xinyue Liu, och gästforskaren Alex Hsieh.

En skräddarsydd gel

Zhaos grupp har tidigare utvecklat recept för att göra tuffa, töjbara hydrogeler från blandningar som mestadels består av vatten och lite polymer. De utvecklade en teknik för att binda hydrogeler till elastomerer genom att först behandla ytor som gummi och silikon med bensofenon, en molekylär lösning som när de utsätts för ultraviolett ljus, skapar starka kemiska bindningar mellan elastomeren och hydrogelen.

Forskarna tillämpade dessa tekniker för att tillverka ett hydrogellaminat:ett lager av elastomer inklämt mellan två lager av hydrogel. De satte sedan laminatstrukturen genom ett batteri av mekaniska tester och fann att strukturen förblev starkt bunden, utan att riva eller spricka, även när den sträcks till flera gånger sin ursprungliga längd.

Teamet placerade också laminatstrukturen i en tvåkammartank, fylld på ena sidan med avjoniserat vatten och den andra med molekylärt färgämne. Efter flera timmar, laminatet förhindrade att något färgämne vandrade från ena sidan av kammaren till den andra, medan endast ett lager av hydrogel släppte igenom färgen. Laminatets elastomerlager, de avslutade, gjorde strukturen som helhet starkt ogenomtränglig – en egenskap som de resonerade kunde också förhindra virus och andra små molekyler från att passera igenom.

I andra tester, teamet blandade kemiskt pH-avkännande molekyler i skiktet av hydrogel som fodrade ena sidan av elastomerskiktet, och grönt matfärgämne i det motsatta hydrogelskiktet. De placerade återigen hela strukturen i tvåkammartanken och fyllde båda sidor med dioiniserat vatten.

När forskarna ändrade surheten i tankens vatten, de observerade att de delar av hydrogelen som innehöll pH-indikatorer tändes. Under tiden, det gröna färgämnet sipprade långsamt från det motsatta hydrogelskiktet in i den andra tanken, efterlikna verkan av läkemedelsmolekyler.

"Vi kan lägga pH-avkännande molekyler i hydrogeler, eller droger som gradvis frisätts, " säger Parada. "För olika tillämpningar, vi kan modifiera gelén för att passa den applikationen."

Knyter knutar

Som ett första försök till möjliga tillämpningar för hydrogellaminat, forskarna använde sina tidigare utvecklade tekniker för att belägga hydrogel på olika elastomerenheter, inklusive silikonslangar, en Foley -kateter, och en kondom. "Vårt första stora fokus var katetrar, eftersom de är styva och inte särskilt bekväma, och infektion av katetrar kan orsaka cirka 50 procent av återinläggningarna till sjukhus, "Parada säger." Vi trodde också att vi kunde applicera detta på kondomer, eftersom befintliga latexkondomer orsakar mycket känslighet och allergier, och om du kan lägga droger i gelen, du kan ha bättre skydd. "

Även efter att den belagda slangen har böjts kraftigt och vikas till en knut, forskarna fann att hydrogelbeläggningen förblev starkt bunden till slangen utan att orsaka revor. Detsamma gällde när forskarna blåste upp både den belagda katetern och den belagda kondomen.

Parada säger att måtten på ett hydrogellaminat kan anpassas för att rymma olika enheter. Till exempel, forskare kan välja en tjockare elastomer för att öka ett laminats styvhet, eller använd en tjockare beläggning av hydrogel för att införliva fler läkemedelsmolekyler eller sensorer. Hydrogels kan också utformas för att vara mer eller mindre hala, beroende på hur mycket friktion som önskas.

"Vi har förmågan att tillverka storskaliga hydrogelstrukturer som kan belägga medicinsk utrustning, och hydrogelen kommer inte att agitera kroppen, " säger Zhao. "Detta är en teknisk plattform som du kan föreställa dig många tillämpningar på."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.