Princetons forskare har upptäckt att när vatten rinner runt långa plastfibrer, de flexibla fibersträngarna trasslar som en tallrik med spagetti. Istället för en rörig röra, dock, denna produkt är faktiskt ett mycket användbart material som kallas en hydrogel.

Undersökt i ett halvt sekel, hydrogeler hittar alltmer användningsområden inom områden som konstgjord vävnadsteknik, ihållande läkemedelsleverans, kirurgiska lim och 3D-biotryck-åtminstone delvis på grund av deras likheter med levande vävnad, vara tjatig, porös och mestadels gjord av vatten.

I vanliga fall, generering av hydrogeler kräver kemiska reaktioner och interaktioner mellan en uppsättning prekursormaterial. Den nya Princeton -hydrogeln, fastän, bildas bara genom skjuvningseffekten av fibrerna som glider mot varandra när de tvingas genom en spruta. Denna kemikaliefria metod pekar mot en ny klass av injicerbara hydrogeler som utför uppgifter som att stoppa och behandla sår.

"Att studera materialflödet i suspensioner som innehåller så mycket flexibla fibrer hade aldrig riktigt försökts tidigare, "sa Antonio Perazzo, medförfattare till ett septemberpapper i Förfaranden från National Academy of Sciences rapportera idén och beskriva resultaten. "Att driva ny forskning har gett oss detta oöverträffade resultat av flödesinducerad gelning med flexibla fibrer."

Perazzo är en postdoktoral forskningsassistent i labbet för medförfattare av papper Howard Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i mekanisk och rymdteknik vid Princeton. Perazzo startade forskningen som besökande doktorand i Stones lab. En medförfattare Stefano Guido, professor i kemiteknik vid universitetet i Napoli i Italien, var Perazzos doktorand rådgivare.

"Anmärkningsvärt, fibersuspensionen kan extruderas genom en sprutnål som en fullformad mjuk, töjbar gel, "sa Janine Nunes, en postdoktoral forskare också i Stones laboratorium i Princeton och en medförfattare till tidningen. "Detta enkla sätt att skapa en hydrogel kan öppna många applikationer inom biomedicin."

Fenomenet som får fibrerna att fastna och gelera under stress kallas skjuvningstjockning. Vanligtvis, en blandning av fibrer och vatten kommer att genomgå motsatt effekt, skjuvförtunning, och blir mindre tjock, eller trögflytande, vid tryckning; tänk på hur en sked störtar ner i en skål med nudelsoppa.

Men vissa hopkok kan motverka intuitivt genom att tjockna. Det kanske mest kända exemplet är majsstärkelse och vatten. Under måttlig stress, stärkelsekornen ansluter tillräckligt starkt till att någon till och med kan trampa på det stärkelsefyllda vattnet och inte omedelbart sjunka.

"YouTube är fullt av videor av människor som går på pooler fyllda med majsstärkelse, "sa Perazzo." Om folk går snabbt på poolen, de kommer inte att sjunka, eftersom viskositeten ökar när du går. Det är skjuvningstjockning. "

Princeton-forskarna studerade hur denna effekt sker med mikrofibrer som Nunes tillverkade i laboratoriet med poly (etylenglykol) diakrylat (PEG-DA), en giftfri, flexibel, biokompatibel plast. Fibrerna mätte 35 mikrometer i diameter och cirka 12 millimeter långa, eller ungefär 340 gånger så länge de är breda. När den först sattes i vatten, dessa fibrer fanns i ett fritt flödande, oförstört tillstånd. Perazzo hällde sedan suspensionen i en enhet som kallas en reometer, som mäter hur vätskor reagerar på applicerade krafter. Blandningen fyllde ett gap mellan två plattor, medan bottenplattan förblir stationär medan topplattan roterar, applicera tryck och virvla fibrerna och vattnet runt.

Fibrerna böjda i den flytande vätskan, sammankopplas och slingas in i trassel och knutar. Den växande massan av knotiga fibrer separerade från vattnet, med lite vatten som fastnar i dem, skapa ett vattenfyllt nätverk och förse materialet med goopy, hydrogelliknande egenskaper. Dessa egenskaper kan ändras genom att justera diametrarna och längden på mikrofibrerna, vilket påverkar det sammanlänkade beteendet.

Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford ordförande för kemisk och biomolekylär teknik vid University of Delaware som inte var inblandad i studien, beskrev det som "kreativt och uppfinningsrikt" för att demonstrera "nytt, mikrostrukturerade material som triggas av flödesfält för att skapa ett hydrogelmaterial. "

"Det finns ett antal självmonterade ytaktiva ämnen och polymerkolloidsystem som kan bilda" skakgel "genom kombinerade kemiska flödesmedel, "Wagner tillade, "men detta [materialsystem] gör det helt enkelt genom topologi - verkligen smart."

Ytterligare forskning kommer att undersöka mekaniken för skjuvningstjockning, med ett öga mot att optimera gelningen av materialet när det passerar genom en spruta. Forskarna skulle också vilja fortsätta studier om huruvida suspensionen kan kombineras med partiklar som antibiotika, näringsämnen eller biomolekyler av intresse för en rad applikationer.

"Vi kan se för oss att dessa lätt injicerbara hydrogeler kommer att innehålla olika typer av läkemedel som är fördelaktiga för sårläkning, till exempel, "sa Stone." Det finns en betydande multifunktionalitet du kan få ut av ett material med dessa egenskaper. "