Новая методика предсказуемо генерирует сложные волнистые формы из гидрогелей

Гидрогели — высокопоглощающие гелеобразные полимеры, которые сжимаются и расширяются в зависимости от условий среды (влажность, pH, температура). Их гибкие свойства исследуются для применения в доставке лекарств: капсулы из гидрогеля могут высвобождать содержимое контролируемо, под действием определённых стимулов.

Однако до сих пор было сложно предсказать и контролировать, как именно гидрогель деформируется и разрывается. Ник Фанг, доцент MIT, считает, что предсказание трансформации гидрогелей поможет создавать более сложные и эффективные системы доставки лекарств.

Методика создания форм

Фанг и его коллеги использовали экспериментальную установку, изобретённую им в 2000 году. С помощью проектора PowerPoint, демонстрирующего различные формы, они воздействовали на фоточувствительный гидрогель, заставляя его принимать нужные очертания. Послойно создавая структуры, они строили трёхмерные объекты, аналогично 3D-печати.

Исследователи создавали цилиндры разного размера и наблюдали за их превращением в жидкости. Все цилиндры превращались в волнистые звездообразные структуры, но с характерными отличиями:

• Короткие и широкие цилиндры образовывали больше складок.
• Высокие и узкие цилиндры образовывали меньше складок.

Фанг объяснил, что при расширении гидрогеля на его конечную форму влияют конкурирующие силы: изгиб и сжатие (коробление). Высота структуры определяет её жёсткость на изгиб, а диаметр — лёгкость растяжения.

Аналитическая модель и предсказание

На основе наблюдений команда разработала аналитическую модель, связывающую начальные параметры структуры (высоту, диаметр, толщину) с её конечной формой. Эта модель может стать основой для проектирования специфических форм для более эффективных систем доставки лекарств.

Связь с природными формами

Результаты также могут объяснять создание сложных паттернов в природе. Например, форма поперечного сечения перца (треугольная у маленьких острых перцев и звездообразная/волнистая у крупных болгарских) может определяться его высотой и диаметром. Этот же принцип может лежать в основе образования складок коры головного мозга, морщин на отпечатках пальцев и других биологических тканей, которые «используют механическую нестабильность для создания множества сложных паттернов».

Катя Бертольди, профессор прикладной механики Гарвардского университета, отмечает, что анализ Фанга позволит учёным контролировать расширение и сжатие устройств из гидрогелей и других мягких материалов. Соответствие теории и эксперимента открывает новые возможности для проектирования систем доставки лекарств и мягкой робототехники.

Исследование поддержано Национальным научным фондом (National Science Foundation) и Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory). Команда планирует изучать и предсказывать больше форм гидрогелей в будущем.