I gel si formano mescolando polimeri in fluidi per creare sostanze appiccicose utili per tutto, dal tenere i capelli in posizione al permettere alle lenti a contatto di galleggiare sugli occhi.

I ricercatori vogliono sviluppare gel per applicazioni sanitarie mescolando in composti medicinali, e somministrare ai pazienti iniezioni in modo che il gel rilasci l'ingrediente farmaceutico attivo per un periodo di mesi per evitare punture d'ago settimanali o giornaliere.

Ma ostacolare è un problema facilmente comprensibile quanto la differenza tra l'uso del gel per capelli su una spiaggia rispetto a una bufera di neve:il caldo e il freddo cambiano il carattere del gel.

"Possiamo realizzare gel con le giuste proprietà a lento rilascio a temperatura ambiente, ma una volta che li abbiamo iniettati, il calore corporeo li dissolverebbe rapidamente e rilascerebbe i farmaci troppo rapidamente, "ha detto Eric Appel, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali.

In un articolo pubblicato il 2 febbraio sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Appel e il suo team descrivono nel dettaglio il loro primo passo verso la realizzazione di prodotti resistenti alla temperatura, gel iniettabili con una miscela progettata per piegare abilmente le leggi della termodinamica.

Appel ha spiegato la scienza dietro questa violazione delle regole con un'analogia con la preparazione della gelatina:gli ingredienti solidi vengono versati nell'acqua, quindi riscaldato e mescolato per mescolare bene. Mentre la miscela si raffredda, la gelatina si solidifica quando le molecole si legano insieme. Ma se la gelatina viene riscaldata, il solido reliquefa.

L'esempio di Jello illustra l'interazione tra due concetti termodinamici:entalpia, che misura l'energia aggiunta o sottratta da un materiale, ed entropia, che descrive come i cambiamenti energetici rendano un materiale più o meno ordinato a livello molecolare. Appel e il suo team hanno dovuto creare una gelatina medicinale che non si sciogliesse, perdendo così le sue proprietà di rilascio nel tempo, quando il solido freddo veniva riscaldato dal corpo.

Per realizzare questo, il team di Stanford ha creato un gel composto da due ingredienti solidi:polimeri e nanoparticelle. I polimeri erano lunghi, ciocche simili a spaghetti che hanno una naturale propensione ad impigliarsi, e le nanoparticelle, solo 1/1000 della larghezza di un capello umano, incoraggiato quella tendenza. I ricercatori hanno iniziato sciogliendo separatamente i polimeri e le particelle in acqua e poi mescolandoli insieme. Quando gli ingredienti mischiati cominciarono a legarsi, i polimeri avvolti strettamente intorno alle particelle. "Lo chiamiamo il nostro Velcro molecolare, " ha detto il primo autore Anthony Yu, che ha svolto il lavoro come studente laureato a Stanford e ora è uno studioso post-dottorato al MIT.

La potente affinità tra i polimeri e le particelle ha spremuto fuori le molecole d'acqua che erano state catturate tra di loro, e man mano che più polimeri e particelle si congelavano, la miscela ha cominciato a gelificare a temperatura ambiente. In modo cruciale, questo processo di gelificazione è stato ottenuto senza aggiungere o sottrarre energia. Quando i ricercatori hanno esposto questo gel alla temperatura corporea (37,5 C) non si è liquefatto come i normali gel perché l'effetto molecolare del velcro ha consentito l'entropia e l'entalpia, l'ordine e il cambiamento di temperatura, rispettivamente, per rimanere approssimativamente in equilibrio in accordo con la termodinamica.

Appel ha detto che ci vorrà più lavoro per rendere iniettabili, gel a rilascio prolungato sicuri per l'uso umano. Mentre i polimeri in questi esperimenti erano biocompatibili, le particelle erano derivate dal polistirene, che è comunemente usato per fare posate usa e getta. Il suo laboratorio sta già cercando di realizzare questi gel termodinamicamente neutri con componenti completamente biocompatibili.

Se hanno successo, un gel a rilascio prolungato potrebbe rivelarsi prezioso per fornire trattamenti antimalarici o anti-HIV in aree con risorse insufficienti dove è difficile somministrare i rimedi a breve durata d'azione attualmente disponibili.

"Stiamo cercando di fare un gel che potresti iniettare con uno spillo, e poi avresti una piccola macchia che si dissolverebbe molto lentamente per tre-sei mesi per fornire una terapia continua, " Ha detto Appel. "Questo sarebbe un punto di svolta per la lotta contro le malattie critiche in tutto il mondo".