Les gels sont formés en mélangeant des polymères dans des fluides pour créer des substances gluantes utiles pour tout, de maintenir les cheveux en place pour permettre aux lentilles de contact de flotter sur l'œil.

Les chercheurs veulent développer des gels pour des applications de santé en mélangeant des composés médicinaux, et donner aux patients des injections de sorte que le gel libère l'ingrédient pharmaceutique actif sur une période de plusieurs mois pour éviter les piqûres d'aiguille hebdomadaires ou quotidiennes.

Mais faire obstacle est un problème qui est aussi facilement compréhensible que la différence entre utiliser du gel pour les cheveux sur une plage et dans une tempête de neige - la chaleur et le froid changent le caractère du gel.

« Nous pouvons fabriquer des gels avec les bonnes propriétés de libération lente à température ambiante, mais une fois que nous les avons injectés, la chaleur corporelle les dissoudrait rapidement et libérerait les médicaments trop rapidement, " a déclaré Eric Appel, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux.

Dans un article publié le 2 février dans la revue Communication Nature , Appel et son équipe détaillent leur première étape réussie vers la fabrication de résistants à la température, gels injectables avec une concoction conçue pour plier intelligemment les lois de la thermodynamique.

Appel a expliqué la science derrière ce non-respect des règles avec une analogie avec la fabrication de Jello :les ingrédients solides sont versés dans de l'eau, puis chauffé et agité pour bien mélanger. Au fur et à mesure que le mélange refroidit, le Jello se solidifie au fur et à mesure que les molécules se lient. Mais si le Jello est réchauffé, le solide se liquéfie.

L'exemple de Jello illustre l'interaction entre deux concepts thermodynamiques :l'enthalpie, qui mesure l'énergie ajoutée ou soustraite à un matériau, et l'entropie, qui décrit comment les changements d'énergie rendent un matériau plus ou moins ordonné au niveau moléculaire. Appel et son équipe ont dû faire un Jello médicinal qui ne fondait pas, perdant ainsi ses propriétés de libération dans le temps, lorsque le solide froid était chauffé par le corps.

Pour y parvenir, l'équipe de Stanford a créé un gel composé de deux ingrédients solides :des polymères et des nanoparticules. Les polymères étaient longs, des brins en forme de spaghetti qui ont une propension naturelle à s'emmêler, et les nanoparticules, seulement 1/1000e de la largeur d'un cheveu humain, encouragé cette tendance. Les chercheurs ont commencé par dissoudre séparément les polymères et les particules dans de l'eau, puis les agiter ensemble. Alors que les ingrédients mélangés commençaient à se lier, les polymères enroulés étroitement autour des particules. "Nous appelons cela notre velcro moléculaire, " a déclaré le premier auteur Anthony Yu, qui a fait le travail en tant qu'étudiant diplômé de Stanford et est maintenant chercheur postdoctoral au MIT.

La puissante affinité entre les polymères et les particules a expulsé les molécules d'eau qui s'étaient coincées entre eux, et à mesure que plus de polymères et de particules se figent, le mélange a commencé à gélifier à température ambiante. Surtout, ce processus de gélification a été réalisé sans ajout ni soustraction d'énergie. Lorsque les chercheurs ont exposé ce gel à la température corporelle (37,5 °C), il ne s'est pas liquéfié comme les gels ordinaires car l'effet moléculaire Velcro a permis l'entropie et l'enthalpie - l'ordre et le changement de température, respectivement - pour rester à peu près en équilibre en accord avec la thermodynamique.

Appel a déclaré qu'il faudrait plus de travail pour fabriquer des injectables, gels à libération prolongée sans danger pour l'homme. Alors que les polymères de ces expériences étaient biocompatibles, les particules étaient dérivées du polystyrène, qui est couramment utilisé pour fabriquer des couverts jetables. Son laboratoire essaie déjà de fabriquer ces gels thermodynamiquement neutres avec des composants entièrement biocompatibles.

S'ils réussissent, un gel à libération prolongée pourrait s'avérer utile pour fournir des traitements antipaludiques ou anti-VIH dans les zones défavorisées où il est difficile d'administrer les remèdes à courte durée d'action actuellement disponibles.

"Nous essayons de faire un gel que vous pourriez injecter avec une épingle, et puis vous auriez une petite goutte qui se dissoudrait très lentement pendant trois à six mois pour fournir une thérapie continue, " Appel a déclaré. "Ce serait un changement de jeu pour lutter contre les maladies critiques dans le monde."