I ricercatori di Princeton hanno scoperto che quando l'acqua scorre intorno a lunghe fibre di plastica, i fili di fibra flessibile si aggrovigliano come un piatto di spaghetti. Invece di un pasticcio confuso, però, questo prodotto è infatti un materiale molto utile noto come idrogel.

Indagato per mezzo secolo, gli idrogel stanno trovando sempre più usi in aree tra cui l'ingegneria dei tessuti artificiali, somministrazione prolungata di farmaci, adesivi chirurgici e bioprinting 3D, almeno in parte a causa delle loro somiglianze con i tessuti viventi, essere sdolcinato, poroso e per lo più costituito da acqua.

Normalmente, la generazione di idrogel richiede reazioni chimiche e interazioni tra un insieme di materiali precursori. Il nuovo idrogel di Princeton, anche se, si forma proprio per effetto di taglio delle fibre che scivolano l'una contro l'altra quando forzate attraverso una siringa. Questo metodo privo di sostanze chimiche punta verso una nuova classe di idrogel iniettabili che svolgono compiti come tappare e curare le ferite.

"Studiare il flusso della materia in sospensioni contenenti fibre così altamente flessibili non era mai stato realmente tentato prima, " disse Antonio Perazzo, co-autore di un articolo di settembre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze riportare l'idea e descrivere i risultati. "Il perseguimento di nuove ricerche ci ha fornito questo risultato senza precedenti di gelificazione indotta dal flusso con fibre flessibili".

Perazzo è un ricercatore associato post-dottorato nel laboratorio del co-autore della carta Howard Stone, il Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professore di ingegneria meccanica e aerospaziale a Princeton. Perazzo ha iniziato la ricerca come studente di dottorato in visita nel laboratorio di Stone. Un coautore Stefano Guido, un professore di ingegneria chimica presso l'Università di Napoli in Italia, era il dottorato di ricerca di Perazzo. consigliere.

"Sorprendentemente, la sospensione di fibre può essere estrusa attraverso un ago di siringa come un materiale morbido completamente formato, gel estensibile, " ha detto Janine Nunes, un ricercatore post-dottorato anche nel laboratorio di Stone a Princeton e co-autore dell'articolo. "Questo modo semplice per creare un idrogel potrebbe aprire molte applicazioni in biomedicina".

Il fenomeno che fa rassodare e gelificare le fibre sotto stress è noto come ispessimento da taglio. ordinariamente, una miscela di fibre e acqua subirà l'effetto opposto, diradamento delle cesoie, e diventare meno spessa, o viscoso, quando premuto; pensa a come un cucchiaio si tuffa in una ciotola di zuppa di noodle.

Ma alcuni intrugli possono rispondere controintuitivamente addensando. Forse l'esempio più noto è l'amido di mais e l'acqua. Sotto stress moderato, i grani di amido si uniscono abbastanza forte che qualcuno può persino calpestare l'acqua piena di amido e non affondare immediatamente.

"YouTube è pieno di video di persone che camminano su piscine piene di amido di mais, — disse Perazzo. — Se la gente cammina veloce in piscina, non affonderanno, perché la viscosità aumenta mentre si cammina. Questo è un ispessimento da taglio."

I ricercatori di Princeton hanno studiato come avviene questo effetto con le microfibre che Nunes ha realizzato in laboratorio con poli(etilenglicole) diacrilato (PEG-DA), un non tossico, flessibile, plastica biocompatibile. Le fibre misuravano 35 micrometri di diametro e circa 12 millimetri di lunghezza, o circa 340 volte più lunghe che larghe. Quando inizialmente messo in acqua, quelle fibre esistevano in un flusso libero, stato slegato. Perazzo versò quindi la sospensione in un dispositivo chiamato reometro, che misura come i fluidi rispondono alle forze applicate. La miscela riempiva uno spazio tra due piatti, con la piastra inferiore che rimane ferma mentre la piastra superiore ruota, applicando pressione e facendo roteare le fibre e l'acqua intorno.

Le fibre si piegarono nel liquido che scorre, incastro e loop in grovigli e nodi. La massa crescente di fibre nodose separate dall'acqua, con dell'acqua che rimane intrappolata al loro interno, creando una rete piena d'acqua e dotando il materiale di goopy, proprietà simili all'idrogel. Queste proprietà possono essere modificate modificando i diametri e la lunghezza delle microfibre, che influenza il comportamento di interblocco.

Norman Wagner, la Unidel Robert L. Pigford Chair of Chemical and Biomolecular Engineering presso l'Università del Delaware che non è stata coinvolta nello studio, lo descrisse come "creativo e inventivo" per dimostrare "nuovo, materiali microstrutturati che vengono attivati ​​dai campi di flusso per creare un materiale idrogel".

"Esistono numerosi tensioattivi autoassemblati e sistemi colloidali polimerici che possono formare 'shake-gel' attraverso mezzi di flusso chimico combinato, "Wagner ha aggiunto, "ma questo [sistema materiale] lo fa semplicemente per topologia, davvero intelligente."

Ulteriori ricerche esamineranno la meccanica dell'ispessimento a taglio, con un occhio verso l'ottimizzazione della gelificazione del materiale mentre passa attraverso una siringa. I ricercatori vorrebbero anche proseguire gli studi sulla possibilità di combinare la sospensione con particelle come antibiotici, nutrienti o biomolecole di interesse per una serie di applicazioni.

"Possiamo immaginare che questi idrogel facilmente iniettabili vengano realizzati per includere diversi tipi di farmaci benefici per la guarigione delle ferite, Per esempio, " ha detto Stone. "C'è una notevole multifunzionalità che puoi ottenere da un materiale con queste proprietà".