Le proprietà flessibili degli idrogel — altamente assorbenti, polimeri gelatinosi che si restringono e si espandono a seconda delle condizioni ambientali quali umidità, pH e temperatura:li hanno resi ideali per applicazioni dalle lenti a contatto ai pannolini per bambini e agli adesivi.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno studiato il potenziale degli idrogel nella somministrazione di farmaci, trasformandoli in veicoli che trasportano droga che si rompono quando esposti a determinati stimoli ambientali. Tali vescicole possono rilasciare lentamente il loro contenuto in modo controllato; possono anche contenere più di un tipo di farmaco, rilasciati in tempi diversi o in condizioni diverse.

Però, è difficile prevedere come si romperanno gli idrogel, e fino ad ora è stato difficile controllare la forma in cui si trasforma un idrogel. Nick Fang, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, afferma che la previsione di come si trasformano gli idrogel potrebbe aiutare nella progettazione di sistemi di somministrazione di farmaci più complessi ed efficaci.

"Che tipo di forma è più efficiente per fluire attraverso il flusso sanguigno e attaccarsi a una membrana cellulare?" Dice Fang. “Con la corretta conoscenza di come si gonfiano i gel, possiamo iniziare a generare modelli a nostro piacimento.”

Fang e postdoc Howon Lee, insieme ai colleghi dell'Arizona State University, stanno studiando la meccanica degli idrogel che cambiano forma:cercando relazioni tra la forma iniziale di una struttura di idrogel, e il mezzo in cui si trasforma, per prevederne la forma finale. In un articolo che apparirà in Physical Review Letters, i ricercatori riferiscono che ora possono creare e prevedere forme complesse, comprese rughe e onde a forma di stella, dagli idrogel.

I risultati possono fornire una base analitica per la progettazione di forme e modelli intricati da idrogel.

Da PowerPoint al 3-D

Per creare varie strutture di idrogel, Fang e i suoi collaboratori hanno utilizzato una configurazione sperimentale che Fang ha contribuito a inventare nel 2000. In questa configurazione, i ricercatori proiettano diapositive PowerPoint raffiguranti varie forme su un bicchiere di idrogel fotosensibile, facendogli assumere le forme raffigurate nelle diapositive. Una volta formato uno strato di idrogel, i ricercatori ripetono il processo, creando un altro strato di idrogel sopra il primo e infine costruendo una struttura tridimensionale in un processo simile alla stampa 3D.

Utilizzando questa tecnica, il team ha creato forme cilindriche di varie dimensioni, sospendendo le strutture nel liquido per osservare come si sono trasformate. Tutti i cilindri si sono trasformati in ondulati, strutture a forma di stella, ma con differenze caratteristiche:Corto, cilindri larghi si sono evoluti in strutture con più pieghe, mentre alto, cilindri sottili trasformati in forme meno rugose.

Fang concluse che quando un idrogel si espande in un liquido, varie forze agiscono per determinarne la forma finale.

“Questo tipo di struttura tubolare ha due modi di deformarsi, "dice Zanna. “Uno è che può piegarsi, e l'altro è che può piegarsi, o spremere. Quindi queste due modalità in realtà competono tra loro, e l'altezza dice quanto è duro piegarsi, mentre il diametro dice quanto sia facile allungare.”

Dalle loro osservazioni, il team ha elaborato un modello analitico che rappresenta la relazione tra l'altezza iniziale di una struttura, diametro e spessore e la sua forma finale. Fang afferma che il modello potrebbe aiutare gli scienziati a progettare forme specifiche per sistemi di somministrazione di farmaci più efficienti.

Rughe naturalmente

Fang dice che i risultati del gruppo possono anche aiutare a spiegare come vengono creati modelli complessi in natura. Indica i peperoni - le cui sezioni trasversali possono variare ampiamente nella forma - come esempio calzante:piccoli, i peperoni piccanti tendono ad essere triangolari nella sezione trasversale, mentre i peperoni più grandi sono più a forma di stella e ondulati. Fang ipotizza che ciò che determina la forma di un peperone, e il suo numero di onde o rughe, è la sua altezza e diametro.

Fang afferma che lo stesso principio potrebbe spiegare altre forme complesse in natura, dalle pieghe nella corteccia cerebrale alle rughe nelle impronte digitali e in altri tessuti biologici che "sfruttano l'instabilità meccanica per creare una vasta gamma di schemi complessi".

Katia Bertoldi, un assistente professore di meccanica applicata all'Università di Harvard, afferma che l'analisi di Fang consentirà agli scienziati di controllare l'espansione e il collasso di dispositivi realizzati con idrogel e altri materiali morbidi.

“Ciò che è notevole è che c'è una corrispondenza tra teoria e sperimentazione, ” dice Bertoldi. “Puoi utilizzare questi calcoli per fabbricare nuovi progetti come sistemi di somministrazione di farmaci e robotica morbida. Il sistema offre davvero nuove strade per la progettazione di questi oggetti altamente deformabili”.

Il team prevede di studiare e prevedere più forme di idrogel in futuro per aiutare gli scienziati a progettare vescicole di farmaci che si trasformano in modo prevedibile.

La ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation e dal Lawrence Livermore National Laboratory.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.