Las propiedades flexibles de los hidrogeles:altamente absorbentes, polímeros gelatinosos que se contraen y expanden dependiendo de las condiciones ambientales como la humedad, pH y temperatura:los han hecho ideales para aplicaciones desde lentes de contacto hasta pañales para bebés y adhesivos.

En años recientes, Los investigadores han investigado el potencial de los hidrogeles en la administración de fármacos, convertirlos en vehículos portadores de drogas que se rompen cuando se exponen a ciertos estímulos ambientales. Estas vesículas pueden liberar lentamente su contenido de forma controlada; incluso pueden contener más de un tipo de fármaco, lanzado en diferentes momentos o bajo diversas condiciones.

Sin embargo, es difícil predecir cómo se romperán los hidrogeles, y hasta ahora ha sido difícil controlar la forma en la que se transforma un hidrogel. Nick Fang, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que predecir cómo se transforman los hidrogeles podría ayudar en el diseño de sistemas de administración de fármacos más complejos y efectivos.

“¿Qué tipo de forma es más eficiente para fluir a través del torrente sanguíneo y adherirse a la membrana celular?”, Dice Fang. "Con el conocimiento adecuado de cómo se hinchan los geles, podemos empezar a generar patrones a nuestro gusto ".

Fang y postdoctorado Howon Lee, junto con colegas de la Universidad Estatal de Arizona, están estudiando la mecánica de los hidrogeles que cambian de forma:buscando relaciones entre la forma inicial de una estructura de hidrogel, y el medio en el que se transforma, para predecir su forma final. En un artículo que aparecerá en Physical Review Letters, los investigadores informan que ahora pueden crear y predecir formas complejas, incluidas arrugas y ondas en forma de estrella, a partir de hidrogeles.

Los hallazgos pueden proporcionar una base analítica para diseñar formas y patrones intrincados a partir de hidrogeles.

De PowerPoint a 3-D

Para crear varias estructuras de hidrogel, Fang y sus colaboradores utilizaron una configuración experimental que Fang ayudó a inventar en 2000. En esta configuración, investigadores proyectan diapositivas de PowerPoint que representan varias formas en un vaso de precipitados de hidrogel fotosensible, haciendo que adopte las formas representadas en las diapositivas. Una vez que se forma una capa de hidrogel, los investigadores repiten el proceso, creando otra capa de hidrogel encima de la primera y eventualmente construyendo una estructura tridimensional en un proceso similar a la impresión 3D.

Usando esta técnica, el equipo creó formas cilíndricas de varias dimensiones, suspendiendo las estructuras en líquido para observar cómo se transformaban. Todos los cilindros se transformaron en ondulados estructuras en forma de estrella, pero con diferencias características:Corto, Los cilindros anchos evolucionaron hacia estructuras con más arrugas, mientras que alto, cilindros delgados transformados en formas menos arrugadas.

Fang concluyó que a medida que un hidrogel se expande en líquido, varias fuerzas actúan para determinar su forma final.

“Este tipo de estructura tubular tiene dos formas de deformarse, ”Dice Fang. "Uno es que se puede doblar, y la otra es que puede doblarse, o aprieta. Entonces, estos dos modos compiten entre sí, y la altura indica qué tan rígida es la flexión, mientras que el diámetro indica lo fácil que es estirar ".

De sus observaciones, el equipo elaboró ​​un modelo analítico que representa la relación entre la altura inicial de una estructura, diámetro y espesor y su forma final. Fang dice que el modelo puede ayudar a los científicos a diseñar formas específicas para sistemas de administración de fármacos más eficientes.

Arrugas naturalmente

Fang dice que los resultados del grupo también pueden ayudar a explicar cómo se crean patrones complejos en la naturaleza. Señala los pimientos, cuyas secciones transversales pueden variar ampliamente en forma, como un ejemplo:pequeños, los pimientos picantes tienden a tener una sección transversal triangular, mientras que los pimientos morrones más grandes tienen forma de estrella y son más ondulados. Fang especula que lo que determina la forma de un pimiento, y su cantidad de ondas o arrugas, es su altura y diámetro.

Fang dice que el mismo principio puede explicar otras formas intrincadas de la naturaleza, desde los pliegues en la corteza cerebral hasta las arrugas en las huellas dactilares y otros tejidos biológicos que "aprovechan la inestabilidad mecánica para crear una gran cantidad de patrones complejos".

Katia Bertoldi, profesor asistente de mecánica aplicada en la Universidad de Harvard, dice que el análisis de Fang permitirá a los científicos controlar la expansión y el colapso de dispositivos hechos de hidrogeles y otros materiales blandos.

"Lo que es notable es que hay una coincidencia entre la teoría y la experimentación, ”Dice Bertoldi. “Puede utilizar estos cálculos para fabricar nuevos diseños como sistemas de administración de fármacos y robótica blanda. El sistema realmente ofrece nuevas vías para el diseño de estos objetos altamente deformables ”.

El equipo planea estudiar y predecir más formas de hidrogel en el futuro para ayudar a los científicos a diseñar vesículas de fármacos que se transformen de manera predecible.

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.