As propriedades flexíveis dos hidrogéis - altamente absorventes, polímeros gelatinosos que encolhem e expandem dependendo das condições ambientais, como umidade, pH e temperatura - os tornam ideais para aplicações de lentes de contato a fraldas e adesivos para bebês.

Nos últimos anos, pesquisadores investigaram o potencial dos hidrogéis na entrega de drogas, transformando-os em veículos de transporte de drogas que se rompem quando expostos a certos estímulos ambientais. Essas vesículas podem liberar lentamente seu conteúdo de maneira controlada; eles podem até conter mais de um tipo de droga, lançado em momentos diferentes ou sob várias condições.

Contudo, é difícil prever como os hidrogéis irão se romper, e até agora era difícil controlar a forma em que um hidrogel se transforma. Nick Fang, professor associado de engenharia mecânica no MIT, diz que prever como os hidrogéis se transformam pode ajudar no projeto de sistemas de entrega de medicamentos mais complexos e eficazes.

“Que tipo de formato é mais eficiente para fluir pela corrente sanguínea e se ligar a uma membrana celular?”, Diz Fang. “Com o conhecimento adequado de como os géis incham, podemos começar a gerar padrões de acordo com nossa vontade. ”

Fang e pós-doutorado Howon Lee, junto com colegas da Arizona State University, estão estudando a mecânica dos hidrogéis que mudam de forma:procurando relações entre a forma inicial de uma estrutura de hidrogel, e o meio em que se transforma, a fim de prever sua forma final. Em um artigo que aparecerá na Physical Review Letters, os pesquisadores relatam que agora podem criar e prever formas complexas - incluindo rugas e ondas em forma de estrela - a partir de hidrogéis.

Os resultados podem fornecer uma base analítica para projetar formas e padrões intrincados de hidrogéis.

Do PowerPoint ao 3-D

Para criar várias estruturas de hidrogel, Fang e seus colaboradores usaram uma configuração experimental que Fang ajudou a inventar em 2000. Nesta configuração, pesquisadores projetam slides de PowerPoint que representam várias formas em um copo de hidrogel fotossensível, fazendo com que assuma as formas descritas nos slides. Uma vez que uma camada de hidrogel se forma, os pesquisadores repetem o processo, criar outra camada de hidrogel sobre a primeira e, eventualmente, construir uma estrutura tridimensional em um processo semelhante à impressão 3-D.

Usando esta técnica, a equipe criou formas cilíndricas de várias dimensões, suspender as estruturas em líquido para observar como elas se transformam. Todos os cilindros se transformaram em ondulados, estruturas em forma de estrela, mas com diferenças características:curto, cilindros largos evoluíram para estruturas com mais rugas, enquanto alto, cilindros delgados transformados em formas menos enrugadas.

Fang concluiu que, à medida que um hidrogel se expande em líquido, várias forças atuam para determinar sua forma final.

“Este tipo de estrutura tubular tem duas formas de deformar, ”Fang diz. “Uma é que pode dobrar, e a outra é que pode dobrar, ou aperte. Então, esses dois modos realmente competem entre si, e a altura diz o quão difícil é à flexão, enquanto o diâmetro diz como é fácil esticar. ”

A partir de suas observações, a equipe elaborou um modelo analítico que representa a relação entre a altura inicial de uma estrutura, diâmetro e espessura e sua forma final. Fang diz que o modelo pode ajudar os cientistas a projetar formas específicas para sistemas de entrega de medicamentos mais eficientes.

Enrugando naturalmente

Fang diz que os resultados do grupo também podem ajudar a explicar como padrões complexos são criados na natureza. Ele aponta para pimentas - cujas seções transversais podem variar amplamente em forma - como um caso em questão:pequeno, pimentas picantes tendem a ser triangulares em seção transversal, enquanto os pimentões maiores são mais estrelados e ondulados. Fang especula que o que determina a forma de uma pimenta, e seu número de ondas ou rugas, é a sua altura e diâmetro.

Fang diz que o mesmo princípio pode explicar outras formas intrincadas na natureza - desde as dobras no córtex do cérebro até rugas nas impressões digitais e outros tecidos biológicos que "alavancam a instabilidade mecânica para criar uma riqueza de padrões complexos."

Katia Bertoldi, um professor assistente de mecânica aplicada na Universidade de Harvard, diz que a análise de Fang permitirá que os cientistas controlem a expansão e o colapso de dispositivos feitos de hidrogéis e outros materiais macios.

“O que é notável é que há uma correspondência entre teoria e experimentação, ”Diz Bertoldi. “Você pode usar esses cálculos para fabricar novos projetos, como sistemas de entrega de drogas e robótica suave. O sistema realmente oferece novos caminhos para o design desses objetos altamente deformáveis. ”

A equipe planeja estudar e prever mais formas de hidrogel no futuro para ajudar os cientistas a projetar vesículas de drogas que se transformam de forma previsível.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e Lawrence Livermore National Laboratory.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.