Podría ayudar a mejorar la entrega de drogas y explicar patrones naturales desde dobleces cerebrales hasta pimientos.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).
Las propiedades flexibles de los hidrogeles – polímeros altamente absorbentes y gelatinosos que se encogen y expanden dependiendo de las condiciones ambientales como la humedad, el pH y la temperatura – los han hecho ideales para aplicaciones desde lentes de contacto a pañales de bebé y adhesivos.
En años recientes, los investigadores han investigado el potencial de los hidrogeles en la entrega de drogas, diseñándolos como vehículos cargadores de drogas que se rompen cuando son expuestos a cierto estímulo ambiental. Dicho vehículos pueden liberar lentamente sus contenidos de una manera controlada; incluso podrían contener más de un tipo de droga, liberada en momentos diferentes o bajo varias condiciones.
Sin embargo, es difícil predecir que tanto hidrogel se romperá, y hasta ahora ha sido difícil controlar la forma en la que un hidrogel se transforma. Nick Fang, un profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), dice que prediciendo cómo los hidrogeles se transforman podría ayudar en el diseño de sistemas más complejos y efectivos de entrega de drogas.
“¿Qué tipo de forma es más eficiente para fluir a través del flujo sanguíneo y pegarse a una membrana celular?” dice Fango. “Con el conocimiento apropiado de cómo se hinchan los geles, podemos comenzar a generar patrones a nuestro antojo”.
Fang y el posdoctorado Howon Lee, junto con colegas en la Universidad Estatal de Arizona, están estudiando la mecánica de hidrogeles que cambian de forma: buscando por relaciones entre la forma inicial de la estructura de un hidrogel, y el medio en el que se transforma, para poder predecir su forma final. En un artículo para Physical Review Letters, los investigadores reportan que ahora pueden crear y predecir formas complejas – incluyendo arrugas con formas de estrella y ondas – de hidrogeles.
Los hallazgos podrían proveer una base analítica para diseñar formas y patrones intrincados a partir de hidrogeles.
De PowerPoint a 3-D
Para crear varias estructuras de hidrogel, Fang y sus colaboradores usaron una configuración experimental que Fang ayudó a inventar en el 2000. En esta configuración, los investigadores proyectaron diapositivas de PowerPoint mostrando varias formas en un vaso de precipitados con hidrogel fotosensible, provocando que asumiera las formas mostradas en las diapositivas. Una vez que la capa de hidrogel se forma, los investigadores repitieron el proceso, creando otra capa de hidrogel encima de la primera y eventualmente construyendo hasta una estructura tridimensional en un proceso parecido a la impresión tridimensional.
Usando esta técnica, el equipo creó formas cilíndricas de varias dimensiones, suspendiendo las estructuras en líquido para observar como se transformaban. Todos los cilindros se transformaron en estructuras onduladas con forma de estrella, pero con diferencias características: cilindros cortos y anchos evolucionaron en estructuras con más arrugas, mientras que los cilindros altos y angostos se transformaron en estructuras menos arrugadas.
Fang concluyó que conforme el hidrogel se expande en el líquido, varias fuerzas actúan para determinar su forma final.
“Este tipo de estructura tubular tiene dos maneras de deformarse”, dice Fang. “Una es que puede doblarse, y otras es que puede abrocharse, o exprimirse. Así que estos dos modos compiten uno con el otro, y la altura dice qué tan duro es para doblarse, mientras que el diámetro dice qué tan fácil es estirarse”.
De sus observaciones, el equipo dibujó un modelo analítico representando la relación entre la altura inicial, diámetro y grosor de la estructura y su forma final. Fang dice que el modelo podría ayudar a los científicos a diseñar formas específicas para sistemas de entrega de drogas más eficientes.
Arrugándose naturalmente
Fang dice que los resultados del grupo también podrían explicar cómo patrones complejos son creados en la naturaleza. Menciona los pimientos – cuyas secciones medias pueden variar ampliamente en forma – como un caso de ejemplo: Pimientos pequeños y picantes tienden a ser triangulares en la sección media, mientras que pimientos más grandes tienen más forma de estrella y son ondulados. Fang especula que lo que determina la forma de un pimiento, y su número de ondas o arrugas, es su altura y diámetro.
Fang dice que el mismo principio podría explicar otras formas intricadas en la naturaleza – desde los pliegues en la corteza cerebral a arrugas en la yemas de los dedos y otros tejidos biológicos que “utilizan inestabilidad mecánica para crear una riqueza de patrones complejos”.
Katia Bertoldi, una profesora asistente de mecánica aplicada en la Universidad de Harvard, dice que los análisis de Fang permitirán a los científicos controlar la expansión y el colapso de dispositivos hechos de hidrogeles y otros materiales suaves.
“Lo que es notable es que hay una coincidencia entre la teoría y la experimentación”, dice Bertoldi. “Puedes usar estos cálculos para fabricar nuevos diseños como sistemas de entrega de drogas y robots suaves. El sistema realmente ofrece nuevos canales para el diseño de estos objetos altamente transformables”.
El equipo planea estudiar y predecir más formas de hidrogel en el futuro para ayudar a los científicos a diseñar vehículos de drogas que se transformen predeciblemente.
La investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los Estados Unidos. Colaboradores de la Universidad Estatal de California incluyen a Jiaping Zhang y Hanquing Jiang.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/