Des chercheurs de Princeton ont découvert que lorsque l'eau s'écoule autour de longues fibres de plastique, les brins de fibres souples s'emmêlent comme une assiette de spaghettis. Au lieu d'un désordre confus, cependant, ce produit est en fait un matériau très utile connu sous le nom d'hydrogel.

Enquête depuis un demi-siècle, les hydrogels trouvent de plus en plus d'utilisations dans des domaines tels que l'ingénierie des tissus artificiels, administration prolongée de médicaments, les adhésifs chirurgicaux et la bio-impression 3D, du moins en partie en raison de leurs similitudes avec les tissus vivants, être spongieux, poreux et principalement constitué d'eau.

Normalement, générer des hydrogels nécessite des réactions chimiques et des interactions entre un ensemble de matériaux précurseurs. Le nouvel hydrogel de Princeton, bien que, se forme juste par l'effet de cisaillement des fibres glissant les unes contre les autres lorsqu'elles sont forcées à travers une seringue. Cette méthode sans produits chimiques pointe vers une nouvelle classe d'hydrogels injectables qui effectuent des tâches telles que le colmatage et le traitement des plaies.

"L'étude de l'écoulement de la matière dans des suspensions contenant des fibres si flexibles n'avait jamais vraiment été tentée auparavant, " dit Antonio Perazzo, co-auteur principal d'un article de septembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences rapporter l'idée et décrire les résultats. "La poursuite de nouvelles recherches nous a donné ce résultat sans précédent de gélification induite par l'écoulement avec des fibres flexibles."

Perazzo est associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire du co-auteur de l'article Howard Stone, le professeur Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon de génie mécanique et aérospatial à Princeton. Perazzo a commencé la recherche en tant que doctorant invité dans le laboratoire de Stone. Un co-auteur Stefano Guido, professeur de génie chimique à l'Université de Naples en Italie, était le doctorat de Perazzo. conseiller.

"Remarquablement, la suspension de fibres peut être extrudée à travers une aiguille de seringue sous la forme d'un mou entièrement formé, gel extensible, " a déclaré Janine Nunes, chercheur postdoctoral également dans le laboratoire de Stone à Princeton et co-auteur principal de l'article. "Ce moyen simple de créer un hydrogel pourrait ouvrir de nombreuses applications en biomédecine."

Le phénomène qui provoque le raffermissement et la gélification des fibres sous contrainte est connu sous le nom d'épaississement par cisaillement. Ordinairement, un mélange de fibres et d'eau subira l'effet inverse, amincissement par cisaillement, et devenir moins épais, ou visqueux, lorsqu'il est pressé ; pensez à la façon dont une cuillère plonge dans un bol de soupe de nouilles.

Mais certaines concoctions peuvent réagir de manière contre-intuitive en s'épaississant. L'exemple le plus connu est peut-être l'amidon de maïs et l'eau. Sous un stress modéré, les grains d'amidon se connectent suffisamment pour que quelqu'un puisse même marcher sur l'eau remplie d'amidon et ne pas couler immédiatement.

"YouTube regorge de vidéos de personnes marchant sur des piscines remplies de fécule de maïs, " dit Perazzo. " Si les gens marchent vite sur la piscine, ils ne couleront pas, car la viscosité augmente en marchant. C'est l'épaississement par cisaillement."

Les chercheurs de Princeton ont étudié comment cet effet se produit avec des microfibres que Nunes a fabriquées en laboratoire avec du diacrylate de poly(éthylène glycol) (PEG-DA), un non toxique, souple, plastique biocompatible. Les fibres mesuraient 35 micromètres de diamètre et environ 12 millimètres de long, soit environ 340 fois plus longs que larges. Lorsqu'il est initialement mis dans l'eau, ces fibres existaient dans un écoulement libre, état non enchevêtré. Perazzo a ensuite versé la suspension dans un appareil appelé rhéomètre, qui mesure la façon dont les fluides réagissent aux forces appliquées. Le mélange a rempli un espace entre deux plaques, avec la plaque inférieure restant immobile tandis que la plaque supérieure tournait, appliquer une pression et faire tourbillonner les fibres et l'eau autour.

Les fibres pliées dans le liquide qui s'écoule, s'emboîtant et s'enroulant dans des enchevêtrements et des nœuds. La masse croissante de fibres noueuses séparées de l'eau, avec de l'eau emprisonnée en eux, créer un réseau rempli d'eau et doter le matériau de goopy, propriétés de type hydrogel. Ces propriétés peuvent être modifiées en ajustant les diamètres et la longueur des microfibres, qui influence le comportement de verrouillage.

Norman Wagner, la chaire Unidel Robert L. Pigford de génie chimique et biomoléculaire de l'Université du Delaware qui n'a pas participé à l'étude, l'a décrit comme « créatif et inventif » pour démontrer « de nouveaux, des matériaux microstructurés qui sont déclenchés par des champs d'écoulement pour créer un matériau hydrogel."

« Il existe un certain nombre de tensioactifs auto-assemblés et de systèmes colloïdaux polymères qui peuvent former un « gel à secouer » grâce à des moyens combinés de flux chimique, " Wagner a ajouté, "mais ce [système matériel] le fait simplement par topologie - intelligent en effet."

D'autres recherches examineront la mécanique de l'épaississement par cisaillement, dans le but d'optimiser la gélification du matériau lors de son passage dans une seringue. Les chercheurs souhaitent également poursuivre les études pour savoir si la suspension peut être associée à des particules telles que des antibiotiques, nutriments ou biomolécules d'intérêt pour un éventail d'applications.

« Nous pouvons imaginer que ces hydrogels facilement injectables soient conçus pour inclure différents types de médicaments bénéfiques pour la cicatrisation des plaies, par exemple, " a déclaré Stone. " Il y a une multifonctionnalité considérable que vous pouvez obtenir d'un matériau avec ces propriétés. "