Les propriétés flexibles des hydrogels - hautement absorbants, polymères gélatineux qui rétrécissent et se dilatent en fonction des conditions environnementales telles que l'humidité, pH et température - les ont rendus idéaux pour des applications allant des lentilles de contact aux couches pour bébés et aux adhésifs.

Dans les années récentes, les chercheurs ont étudié le potentiel des hydrogels dans l'administration de médicaments, les transformer en véhicules de transport de drogue qui se rompent lorsqu'ils sont exposés à certains stimuli environnementaux. De telles vésicules peuvent libérer lentement leur contenu de manière contrôlée; ils peuvent même contenir plus d'un type de drogue, libérés à des moments différents ou dans des conditions diverses.

Cependant, il est difficile de prédire comment les hydrogels vont se rompre, et jusqu'à présent, il était difficile de contrôler la forme dans laquelle un hydrogel se transforme. Nick Croc, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, dit prédire comment les hydrogels se transforment pourrait aider à la conception de systèmes d'administration de médicaments plus complexes et plus efficaces.

"Quel type de forme est le plus efficace pour circuler dans la circulation sanguine et se fixer à une membrane cellulaire?", Dit Fang. « Avec une bonne connaissance de la façon dont les gels gonflent, nous pouvons commencer à générer des modèles à notre guise.

Fang et postdoc Howon Lee, avec des collègues de l'Arizona State University, étudient la mécanique des hydrogels à changement de forme :recherche de relations entre la forme initiale d'une structure d'hydrogel, et le milieu dans lequel il se transforme, afin de prédire sa forme finale. Dans un article à paraître dans Physical Review Letters, les chercheurs rapportent qu'ils peuvent désormais créer et prédire des formes complexes - y compris des rides et des vagues en forme d'étoile - à partir d'hydrogels.

Les résultats peuvent fournir une base analytique pour la conception de formes et de motifs complexes à partir d'hydrogels.

De PowerPoint à la 3D

Pour créer diverses structures d'hydrogel, Fang et ses collaborateurs ont utilisé une configuration expérimentale que Fang a aidé à inventer en 2000. Dans cette configuration, les chercheurs projettent des diapositives PowerPoint représentant diverses formes sur un bécher d'hydrogel photosensible, l'amenant à prendre les formes représentées dans les diapositives. Une fois qu'une couche d'hydrogel se forme, les chercheurs répètent le processus, créer une autre couche d'hydrogel au-dessus de la première et finalement construire une structure tridimensionnelle dans un processus similaire à l'impression 3D.

En utilisant cette technique, l'équipe a créé des formes cylindriques de différentes dimensions, suspendre les structures dans un liquide pour observer leur transformation. Tous les cylindres se sont transformés en ondulés, structures en forme d'étoile, mais avec des différences caractéristiques :Court, les cylindres larges ont évolué en structures avec plus de rides, alors que grand, cylindres élancés transformés en formes moins ridées.

Fang a conclu que lorsqu'un hydrogel se dilate dans un liquide, diverses forces agissent pour déterminer sa forme finale.

« Ce genre de structure tubulaire a deux façons de se déformer, », dit Fang. "L'un est qu'il peut se plier, et l'autre est qu'il peut boucler, ou presser. Donc, ces deux modes se font concurrence, et la hauteur indique à quel point il est raide de se plier, tandis que le diamètre indique à quel point il est facile de s'étirer.

De leurs observations, l'équipe a élaboré un modèle analytique représentant la relation entre la hauteur initiale d'un ouvrage, diamètre et épaisseur et sa forme ultime. Fang dit que le modèle peut aider les scientifiques à concevoir des formes spécifiques pour des systèmes d'administration de médicaments plus efficaces.

Se froisser naturellement

Fang dit que les résultats du groupe peuvent également aider à expliquer comment des modèles complexes sont créés dans la nature. Il cite les poivrons - dont les sections transversales peuvent varier considérablement en forme - à titre d'exemple:Petit, les piments épicés ont tendance à avoir une section transversale triangulaire, tandis que les plus gros poivrons sont plus en forme d'étoile et ondulés. Fang spécule que ce qui détermine la forme d'un poivron, et son nombre de vagues ou de rides, est sa hauteur et son diamètre.

Fang dit que le même principe peut expliquer d'autres formes complexes dans la nature - des plis du cortex cérébral aux rides des empreintes digitales et d'autres tissus biologiques qui "exploitent l'instabilité mécanique pour créer une multitude de motifs complexes".

Katia Bertoldi, professeur assistant de mécanique appliquée à l'université Harvard, dit que l'analyse de Fang permettra aux scientifiques de contrôler l'expansion et l'effondrement des dispositifs fabriqués à partir d'hydrogels et d'autres matériaux mous.

« Ce qui est remarquable, c'est qu'il y a une adéquation entre la théorie et l'expérimentation, ", dit Bertoldi. « Vous pouvez utiliser ces calculs pour fabriquer de nouvelles conceptions telles que des systèmes de distribution de médicaments et de la robotique logicielle. Le système offre vraiment de nouvelles pistes pour la conception de ces objets hautement déformables.

L'équipe prévoit d'étudier et de prédire davantage de formes d'hydrogel à l'avenir pour aider les scientifiques à concevoir des vésicules médicamenteuses qui se transforment de manière prévisible.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation et le Lawrence Livermore National Laboratory.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.