Hydrogels flexibla egenskaper - mycket absorberande, gelatinösa polymerer som krymper och expanderar beroende på miljöförhållanden som fuktighet, pH och temperatur - har gjort dem idealiska för applikationer från kontaktlinser till babyblöjor och lim.

Under de senaste åren har forskare har undersökt hydrogelers potential vid läkemedelsleverans, konstruera dem till droger som bär fordon som går sönder när de utsätts för vissa miljöstimuler. Sådana vesiklar kan långsamt frigöra innehållet på ett kontrollerat sätt; de kan till och med innehålla mer än en typ av läkemedel, släpps vid olika tidpunkter eller under olika förhållanden.

Dock, det är svårt att förutse hur hydrogeler kommer att spricka, och fram till nu har det varit svårt att kontrollera vilken form som en hydrogel förvandlas till. Nick Fang, docent i maskinteknik vid MIT, säger att förutsäga hur hydrogel transformerar kan hjälpa till i utformningen av mer komplexa och effektiva läkemedelsleveranssystem.

"Vilken form är mer effektiv för att flöda genom blodomloppet och fästa vid ett cellmembran?" Säger Fang. "Med rätt kunskap om hur geler sväller, vi kan börja skapa mönster efter vår önskan. ”

Fang och postdoc Howon Lee, tillsammans med kollegor vid Arizona State University, studerar mekaniken hos formförskjutande hydrogeler:letar efter relationer mellan en hydrogelstrukturs ursprungliga form, och mediet i vilket det förvandlas, för att förutsäga dess slutliga form. I ett papper som ska visas i Physical Review Letters, forskarna rapporterar att de nu kan skapa och förutsäga komplexa former-inklusive stjärnformade rynkor och vågor-från hydrogeler.

Resultaten kan ge en analytisk grund för att utforma invecklade former och mönster från hydrogeler.

Från PowerPoint till 3D

För att skapa olika hydrogelstrukturer, Fang och hans medarbetare använde en experimentell installation som Fang hjälpte till att uppfinna år 2000. I denna installation, forskare projicerar PowerPoint -bilder som visar olika former på en bägare av ljuskänslig hydrogel, får den att anta formerna som visas i bilderna. När ett hydrogelskikt bildas, forskarna upprepar processen, skapa ett annat hydrogelskikt ovanpå det första och så småningom bygga upp en tredimensionell struktur i en process som liknar 3D-utskrift.

Med denna teknik, laget skapade cylindriska former av olika dimensioner, upphänga strukturerna i vätska för att observera hur de transformerades. Alla cylindrar förvandlades till vågiga, stjärnformade strukturer, men med karakteristiska skillnader:Kort, breda cylindrar utvecklades till strukturer med fler rynkor, medan lång, smala cylindrar förvandlade till mindre skrynkliga former.

Fang drog slutsatsen att när en hydrogel expanderar i vätska, olika krafter verkar för att bestämma dess slutliga form.

"Denna typ av rörformad struktur har två sätt att deformera, Säger Fang. ”Det ena är att det kan böjas, och den andra är att den kan spänna, eller klämma. Så dessa två lägen tävlar faktiskt med varandra, och höjden berättar hur stel det är att böja, medan diametern säger hur lätt det är att sträcka. ”

Från deras observationer, laget utarbetade en analytisk modell som representerar förhållandet mellan en strukturs initiala höjd, diameter och tjocklek och dess yttersta form. Fang säger att modellen kan hjälpa forskare att utforma specifika former för mer effektiva läkemedelsleveranssystem.

Rynkar naturligt

Fang säger att gruppens resultat också kan hjälpa till att förklara hur komplexa mönster skapas i naturen. Han pekar på paprika-vars tvärsnitt kan variera mycket i form-som ett exempel:Liten, kryddig paprika tenderar att vara triangulär i tvärsnitt, medan större paprika är mer stjärnformade och vågiga. Fang spekulerar i att det som bestämmer paprikans form, och dess antal vågor eller rynkor, är dess höjd och diameter.

Fang säger att samma princip kan förklara andra invecklade former i naturen - från veck i hjärnans cortex till rynkor i fingeravtryck och andra biologiska vävnader som "utnyttjar mekanisk instabilitet för att skapa en mängd komplexa mönster."

Katia Bertoldi, en biträdande professor i tillämpad mekanik vid Harvard University, säger Fangs analys kommer att göra det möjligt för forskare att kontrollera expansionen och kollapsen av enheter tillverkade av hydrogeler och andra mjuka material.

"Det som är anmärkningsvärt är att det finns en matchning mellan teori och experiment, Säger Bertoldi. ”Du kan använda dessa beräkningar för att tillverka nya konstruktioner som läkemedelsleveranssystem och mjuk robotik. Systemet erbjuder verkligen nya vägar för utformningen av dessa mycket deformerbara objekt. ”

Teamet planerar att studera och förutsäga fler hydrogelformer i framtiden för att hjälpa forskare att utforma läkemedelsblåsor som förvandlas förutsägbart.

Forskningen stöddes av National Science Foundation och Lawrence Livermore National Laboratory.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.