Pesquisadores de Princeton descobriram que, quando a água flui em torno de longas fibras de plástico, os fios de fibra flexível se enredam como um prato de espaguete. Em vez de uma bagunça confusa, Contudo, este produto é de fato um material altamente útil conhecido como hidrogel.

Investigado por meio século, os hidrogéis estão cada vez mais encontrando usos em áreas como a engenharia de tecidos artificiais, entrega sustentada de drogas, adesivos cirúrgicos e bioimpressão 3-D - pelo menos em parte por causa de suas semelhanças com o tecido vivo, sendo mole, poroso e principalmente feito de água.

Normalmente, a geração de hidrogéis requer reações químicas e interações entre um conjunto de materiais precursores. O novo hidrogel Princeton, no entanto, se forma apenas pelo efeito de cisalhamento das fibras que deslizam umas contra as outras quando forçadas através de uma seringa. Este método livre de produtos químicos aponta para uma nova classe de hidrogéis injetáveis ​​que realizam tarefas como tamponamento e tratamento de feridas.

"Estudar o fluxo de matéria em suspensões contendo fibras altamente flexíveis nunca foi realmente tentado antes, "disse Antonio Perazzo, co-autor principal de um artigo de setembro no Proceedings of the National Academy of Sciences relatando a ideia e descrevendo os resultados. "Prosseguir com novas pesquisas nos deu este resultado sem precedentes de gelificação induzida por fluxo com fibras flexíveis."

Perazzo é um associado de pesquisa de pós-doutorado no laboratório de papel co-autor Howard Stone, o Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial em Princeton. Perazzo começou a pesquisa como aluno visitante de doutorado no laboratório de Stone. Um co-autor Stefano Guido, professor de engenharia química na Universidade de Napoli, na Itália, foi o Ph.D. de Perazzo. conselheiro.

"Notavelmente, a suspensão de fibra pode ser extrudada através de uma agulha de seringa como um material macio totalmente formado, gel extensível, "disse Janine Nunes, um pesquisador de pós-doutorado também no laboratório de Stone em Princeton e um dos autores principais do artigo. "Esta maneira fácil de criar um hidrogel pode abrir muitas aplicações na biomedicina."

O fenômeno que faz com que as fibras se firmes e gelifiquem sob tensão é conhecido como espessamento por cisalhamento. Normalmente, uma mistura de fibras e água sofrerá o efeito oposto, desbaste de cisalhamento, e ficar menos grosso, ou viscoso, quando pressionado; pense em como uma colher mergulha em uma tigela de sopa de macarrão.

Mas algumas misturas podem reagir de forma não intuitiva, engrossando. Talvez o exemplo mais conhecido seja o amido de milho e a água. Sob estresse moderado, os grãos de amido se conectam com força suficiente para que alguém possa pisar na água cheia de amido e não afundar imediatamente.

"O YouTube está cheio de vídeos de pessoas caminhando em piscinas cheias de amido de milho, "disse Perazzo." Se as pessoas andam rápido na piscina, eles não vão afundar, porque a viscosidade aumenta durante a caminhada. Isso é engrossamento de cisalhamento. "

Os pesquisadores de Princeton estudaram como esse efeito acontece com microfibras que Nunes fez no laboratório com poli (etilenoglicol) diacrilato (PEG-DA), um não tóxico, flexível, plástico biocompatível. As fibras mediam 35 micrômetros de diâmetro e cerca de 12 milímetros de comprimento, ou cerca de 340 vezes mais do que largos. Quando inicialmente colocado na água, essas fibras existiam em um fluxo livre, estado não emaranhado. Perazzo então derramou a suspensão em um dispositivo chamado reômetro, que mede como os fluidos respondem às forças aplicadas. A mistura preencheu uma lacuna entre duas placas, com a placa inferior permanecendo estacionária enquanto a placa superior girada, aplicando pressão e agitando as fibras e a água.

As fibras dobradas no líquido que flui, entrelaçando-se e enrolando-se em emaranhados e nós. A massa crescente de fibras retorcidas separadas da água, com um pouco de água ficando presa dentro deles, criando uma rede cheia de água e dotando o material de pegajosa, propriedades semelhantes ao hidrogel. Essas propriedades podem ser alteradas ajustando os diâmetros e o comprimento das microfibras, que influencia o comportamento de bloqueio.

Norman Wagner, o Unidel Robert L. Pigford Chair de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Delaware, que não esteve envolvido no estudo, descreveu-o como "criativo e inventivo" para demonstrar "novos, materiais microestruturados que são acionados por campos de fluxo para criar um material de hidrogel. "

"Há uma série de surfactantes automontados e sistemas coloidais de polímero que podem formar 'gel agitado' por meio de meios de fluxo químico combinados, "Wagner acrescentou, "mas este [sistema material] faz isso simplesmente por topologia - inteligente de fato."

Pesquisas futuras examinarão a mecânica do espessamento de cisalhamento, com o objetivo de otimizar a gelificação do material à medida que ele passa por uma seringa. Os pesquisadores também gostariam de estudar se a suspensão pode ser combinada com partículas como antibióticos, nutrientes ou biomoléculas de interesse para uma variedade de aplicações.

"Podemos imaginar esses hidrogéis facilmente injetáveis ​​sendo feitos para incluir diferentes tipos de drogas benéficas para a cicatrização de feridas, por exemplo, "disse Stone." Há uma multifuncionalidade considerável que você pode obter de um material com essas propriedades. "