Ungefär hälften av alla mediciner mot kroniska sjukdomar tas inte enligt ordination, kostar det amerikanska sjukvårdssystemet mer än 100 miljarder dollar i undvikbara sjukhusvistelser varje år.

Denna bristande efterlevnad är ännu viktigare i utvecklingsvärlden, där sjukvårdens budgetar är kroniskt överansträngda och patienter som behandlas för sjukdomar som malaria måste ta flera läkemedel med komplexa dosregimer.

För att säkerställa att patienter får hela sin behandling, forskare vid MIT och Brigham and Women's Hospital har utvecklat en ny uppsättning läkemedelsleveransmaterial, som kan sitta i magen i upp till nio dagar, långsamt släpper ut sin medicindos.

Materialen, som forskarna beskriver i en artikel som publicerades i dag i tidskriften Naturkommunikation , är kända som triggerable tough hydrogeler (TTH), enligt Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"En av de största problemen inom hälso- och sjukvården är bristande efterlevnad, människor som helt enkelt inte tar sina droger, säger Langer, som är en av tidningens seniora medförfattare. "Vi har arbetat med Bill och Melinda Gates Foundation för att utveckla ultralångvariga kapslar, som kan pågå under hela behandlingen, eller kan tas en gång i veckan eller en gång i månaden, beroende på enheten."

Att utveckla en kapsel som inte snabbt passerar genom kroppen, men kan istället vistas i mag-tarmkanalen (GI) under långa perioder, är ingen lätt uppgift, eftersom vilket material som helst måste klara de avsevärda tryckkrafterna i magen.

Varje sådan anordning måste också vara tillräckligt liten för att sväljas bekvämt men tillräckligt stor för att undvika att passera ut ur magen och in i tarmarna genom en region som kallas pylorus, säger Giovanni Traverso, en forskningsfilial vid Koch Institute, en gastroenterolog och biomedicinsk ingenjör vid Brigham and Women's Hospital, och tidningens medförfattare.

Vad mer, det måste vara möjligt att utlösa enheten till självförstörelse, i händelse av en allergisk reaktion mot, eller ovälkomna biverkningar från, gelen eller läkemedlet som levereras.

För detta ändamål, forskarna började undersöka användningen av hydrogeler, polymergeler som har en hög vattenhalt, ger dem förmågan att svälla när de är hydrerade.

Kapslar gjorda av hydrogelen i uttorkat tillstånd kan sväljas av patienten; de skulle sedan svälla när de kom in i magen, för att förhindra att de passerar genom pylorus.

Dock, hydrogeler, som vanligtvis bildas av ett enda nätverk av tvärbundna polymerkedjor, tenderar att vara ganska mjuk, och de har inte styrkan att stå emot tryckkrafter.

Så forskarna använde istället två sammanflätade polymernätverk, att bygga en starkare, mer motståndskraftig material. "Det finns två nätverk. Det ena består av alginat, ett material som härrör från tång, och den andra är polyakrylamid, en mycket använd polymer, säger Traverso.

Tvärbundna inom dessa sammanflätade nätverk är två typer av kemiska bindningar, som kan lösas på begäran med hjälp av biokompatibla triggerföreningar.

Polyakrylamidnätverket är tvärbundet med disulfidbindningar, som kan lösas upp med hjälp av antioxidanten glutation. Alginatnätverket, i kontrast, är tvärbunden med jonbindningar, som kan lösas med en kemikalie som kallas EDTA (etylendiamintetraättiksyra), som används som konserveringsmedel i vissa livsmedel och som behandling mot kvicksilver- och blyförgiftning.

På det här sättet, om kapselanordningen behöver tas bort från magen i en hast, patienten kan helt enkelt svälja antidotföreningarna, triggar materialet att brytas isär och låter det säkert passera genom kroppen.

När forskarna testade materialens mekaniska styrka, de fann att de var tillräckligt robusta för att motstå frakturer, även under tryck från ett rakblad.

De testade sedan enheter byggda av materialen i stora djurmodeller, där de fann att de kunde motstå krafterna i magen i mer än sju dagar, enligt tidningens huvudförfattare Jinyao Liu, en MIT postdoc.

Till sist, de testade enhetens potential som ett läkemedelstillförselsystem, genom att ladda den med antimalaria lumefantrin. De valde detta läkemedel eftersom avsaknad av medicinering är ett särskilt problem vid behandling av fall av malaria i utvecklingsländerna.

De fann att enheten kunde släppa ut lumefantrinet på ett kontrollerat sätt, under en period av dagar.

Forskarna planerar nu att utföra ytterligare arbete med hastigheten för läkemedelsfrisättning från kapslarna, och att undersöka andra tillämpningar för materialen, såsom i viktminskningsintervention och vävnadsteknik.