Los geles se forman mezclando polímeros en fluidos para crear sustancias pegajosas útiles para todo, desde mantener el cabello en su lugar hasta permitir que los lentes de contacto floten sobre el ojo.

Los investigadores quieren desarrollar geles para aplicaciones sanitarias mediante la mezcla de compuestos medicinales, y administrar inyecciones a los pacientes para que el gel libere el ingrediente farmacéutico activo durante un período de meses para evitar pinchazos semanales o diarios con agujas.

Pero interponerse en el camino es un problema que es tan fácilmente comprensible como la diferencia entre usar gel para el cabello en una playa o en una tormenta de nieve:el calor y el frío cambian el carácter del gel.

"Podemos hacer geles con las propiedades adecuadas de liberación lenta a temperatura ambiente, pero una vez que los inyectamos, el calor corporal los disolvería rápidamente y liberaría los medicamentos demasiado rápido, "dijo Eric Appel, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales.

En un artículo publicado el 2 de febrero en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Appel y su equipo detallan su exitoso primer paso para hacer resistentes a la temperatura, geles inyectables con una mezcla diseñada para doblar hábilmente las leyes de la termodinámica.

Appel explicó la ciencia detrás de esta ruptura de reglas con una analogía para hacer gelatina:los ingredientes sólidos se vierten en agua, luego se calienta y se agita para mezclar bien. A medida que la mezcla se enfría, la gelatina se solidifica cuando las moléculas se unen. Pero si la gelatina se recalienta, el sólido se vuelve a licuar.

El ejemplo de Jello ilustra la interacción entre dos conceptos termodinámicos:entalpía, que mide la energía añadida o sustraída de un material, y entropía, que describe cómo los cambios de energía hacen que un material sea más o menos ordenado a nivel molecular. Appel y su equipo tuvieron que hacer una gelatina medicinal que no se derritiera, perdiendo así sus propiedades de liberación prolongada, cuando el cuerpo calentó el sólido frío.

Para lograr esto, el equipo de Stanford creó un gel hecho de dos ingredientes sólidos:polímeros y nanopartículas. Los polímeros eran largos, hebras parecidas a espaguetis que tienen una propensión natural a enredarse, y las nanopartículas, solo 1/1000 del ancho de un cabello humano, alentó esa tendencia. Los investigadores comenzaron disolviendo por separado los polímeros y las partículas en agua y luego agitándolos. A medida que los ingredientes mezclados comenzaron a unirse, los polímeros se envuelven firmemente alrededor de las partículas. "A esto lo llamamos nuestro Velcro molecular, "dijo el primer autor Anthony Yu, que hizo el trabajo como estudiante de posgrado de Stanford y ahora es un becario postdoctoral en el MIT.

La poderosa afinidad entre los polímeros y las partículas exprimió las moléculas de agua que habían quedado atrapadas entre ellos. y a medida que se congelaban más polímeros y partículas, la mezcla comenzó a gelificar a temperatura ambiente. Crucialmente, este proceso de gelificación se logró sin sumar ni restar energía. Cuando los investigadores expusieron este gel a la temperatura corporal (37,5 C), no se licuó como los geles ordinarios porque el efecto de Velcro molecular permitió la entropía y la entalpía:el orden y el cambio de temperatura. respectivamente, para permanecer aproximadamente en equilibrio de acuerdo con la termodinámica.

Appel dijo que se necesitará más trabajo para fabricar inyectables, geles de liberación prolongada seguros para uso humano. Si bien los polímeros de estos experimentos eran biocompatibles, las partículas se derivaron de poliestireno, que se usa comúnmente para hacer cubiertos desechables. Su laboratorio ya está intentando fabricar estos geles termodinámicamente neutros con componentes totalmente biocompatibles.

Si tienen éxito, un gel de liberación prolongada podría resultar valioso para proporcionar tratamientos contra la malaria o el VIH en áreas de escasos recursos donde es difícil administrar los remedios de acción corta actualmente disponibles.

"Estamos tratando de hacer un gel que puedas inyectar con un alfiler, y luego tendría una pequeña gota que se disolvería muy lentamente durante tres a seis meses para proporcionar una terapia continua, Appel dijo. "Esto cambiaría las reglas del juego para combatir enfermedades críticas en todo el mundo".