Geler bildas genom att blanda polymerer i vätskor för att skapa klibbiga ämnen som är användbara för allt från att hålla håret på plats till att låta kontaktlinser flyta över ögat.

Forskare vill utveckla geler för vårdtillämpningar genom att blanda i medicinska föreningar, och att ge patienter injektioner så att gelén frisätter den aktiva farmaceutiska ingrediensen under en period av månader för att undvika veckovisa eller dagliga nålstick.

Men att stå i vägen är ett problem som är lika lätt att förstå som skillnaden mellan att använda hårgelé på en strand kontra i en snöstorm – värme och kyla förändrar geléns karaktär.

"Vi kan göra geler med rätt långsamma frisättningsegenskaper vid rumstemperatur men när vi väl injicerade dem, kroppsvärme skulle snabbt lösa upp dem och släppa ut medicinerna för snabbt, sa Eric Appel, biträdande professor i materialvetenskap och teknik.

I en artikel publicerad 2 februari i tidskriften Naturkommunikation , Appel och hans team beskriver sitt framgångsrika första steg mot att göra temperaturbeständiga, injicerbara geler med ett hopkok designat för att skickligt böja termodynamikens lagar.

Appel förklarade vetenskapen bakom detta regelbrott med en analogi till att göra Jello:de fasta ingredienserna hälls i vatten, värmde sedan upp och rörde om för att blanda väl. När blandningen svalnar, Jello stelnar när molekylerna binder samman. Men om Jello värms upp igen, det fasta återförliknar.

Jello-exemplet illustrerar samspelet mellan två termodynamiska begrepp - entalpi, som mäter den energi som läggs till eller subtraheras från ett material, och entropi, som beskriver hur energiförändringar gör ett material mer eller mindre ordnat på molekylär nivå. Appel och hans team var tvungna att göra en medicinsk Jello som inte smälte, förlorar därmed sina tidsfrigörande egenskaper, när det svala fasta ämnet värmdes upp av kroppen.

För att åstadkomma detta, Stanford-teamet skapade en gel gjord av två fasta ingredienser - polymerer och nanopartiklar. Polymererna var långa, spagettiliknande trådar som har en naturlig benägenhet att trassla in sig, och nanopartiklarna, bara 1/1000 av bredden på ett människohår, uppmuntrade den tendensen. Forskarna började med att separat lösa upp polymererna och partiklarna i vatten och sedan röra ihop dem. När de blandade ingredienserna började binda, polymererna lindade tätt runt partiklarna. "Vi kallar detta vårt molekylära kardborreband, " sa första författaren Anthony Yu, som gjorde jobbet som doktorand i Stanford och nu är postdoktor vid MIT.

Den kraftfulla affiniteten mellan polymererna och partiklarna pressade ut vattenmolekylerna som hade fångats mellan dem, och när fler polymerer och partiklar stelnade, blandningen började gela vid rumstemperatur. Avgörande, denna gelningsprocess uppnåddes utan att lägga till eller subtrahera energi. När forskarna exponerade denna gel för kroppens temperatur (37,5 C) blev den inte flytande som vanliga geler eftersom den molekylära kardborreeffekten möjliggjorde entropi och entalpi – ordning och temperaturförändringar, respektive — att förbli ungefär i balans i enlighet med termodynamiken.

Appel sa att det kommer att ta mer arbete att göra injicerbara, geler som frigörs säkra för mänsklig användning. Medan polymererna i dessa experiment var biokompatibla, partiklarna härrörde från polystyren, som vanligtvis används för att göra engångsbestick. Hans labb försöker redan göra dessa termodynamiskt neutrala geler med helt biokompatibla komponenter.

Om de lyckas, en gel med tidsfrisättning kan visa sig vara värdefull för att tillhandahålla behandlingar mot malaria eller hiv i områden med bristande resurser där det är svårt att administrera de kortverkande läkemedel som finns tillgängliga för närvarande.

"Vi försöker göra en gel som du kan injicera med en nål, och sedan skulle du ha en liten klump som skulle lösas upp mycket långsamt i tre till sex månader för att ge kontinuerlig terapi, ", sa Appel. "Detta skulle vara en spelomvandlare för att bekämpa kritiska sjukdomar runt om i världen."