Теперь инженеры MIT разработали гелеобразный материал, который можно наносить на стандартные пластиковые или резиновые устройства, обеспечивая более мягкий и скользкий внешний вид, что может значительно облегчить дискомфорт пациента. Покрытие можно даже адаптировать для отслеживания и лечения признаков инфекции.
В статье, опубликованной в журнале Advanced Healthcare Materials, команда описывает свой метод прочного связывания слоя гидрогеля — мягкого, скользкого полимерного материала, состоящего в основном из воды, с обычными эластомерами, такими как латекс, резина и силикон. В результате получаются «ламинаты гидрогеля», которые одновременно становятся мягкими, растяжимыми, скользкими и непроницаемыми для вирусов и других небольших молекул.
Покрытие из гидрогеля может быть заделано соединениями, чтобы обнаруживать, например, воспалительные молекулы. Лекарства также могут быть включены в гидрогелевое покрытие и медленно высвобождены из него для лечения воспалений в организме.
Команда, возглавляемая Сюань Хэ Чжао, Роберт Н. Нойс, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, приклеивал слои гидрогеля на различные медицинские устройства на основе эластомеров, включая катетеры и внутривенные трубки. Они обнаружили, что покрытия были чрезвычайно прочными, выдерживали изгиб и скручивание, без трещин.
Покрытия также были чрезвычайно скользкими и имели гораздо меньшее трение, чем стандартные катетеры без покрытия — качество, которое могло уменьшить дискомфорт пациентов.
Группа также нанесла гидрогель на другой широко используемый эластомерный продукт: презервативы. Исследователи говорят, что помимо повышения комфорта существующих латексных презервативов за счет уменьшения трения, покрытие из гидрогеля может помочь повысить их безопасность, поскольку в гидрогель могут быть включены лекарства для борьбы с аллергией на латекс.
«Мы продемонстрировали, что гидрогель действительно может заменить обычные эластомеры», — говорит Чжао. "Теперь у нас есть метод интеграции гелей с другими материалами. Мы думаем, что это может быть применено к разнообразному медицинскому оборудованию, взаимодействующему с телом."
Соавторы Чжао — ведущий автор и аспирант Герман Парада, аспиранты Хену Юк и Синьюэ Лю, а также приглашенный ученый Алекс Се.
Индивидуальный гель
Группа Чжао ранее разработала рецепты изготовления жестких, растяжимых гидрогелей из смесей, состоящих в основном из воды и небольшого количества полимера. Они разработали метод связывания гидрогелей с эластомерами, сначала обрабатывая поверхности, такие как резина и силикон, бензофеноном, молекулярным раствором, который при воздействии ультрафиолетового света создает прочные химические связи между эластомером и гидрогелем.
Исследователи применили эти методы для изготовления ламината гидрогеля: слоя эластомера, зажатого между двумя слоями гидрогеля. Затем они провели серию механических испытаний ламинатной конструкции и обнаружили, что структура остается прочно связанной, без разрывов и трещин, даже при растяжении в несколько раз превышающем первоначальную длину.
Команда также поместила ламинат в двухкамерный резервуар, заполненный с одной стороны деионизированной водой, а с другой — молекулярным красителем. Через несколько часов ламинат предотвратил миграцию любого красителя из одной стороны камеры в другую, в то время как слой одного гидрогеля пропускал краситель через. Они пришли к выводу, что эластомерный слой ламината делает структуру в целом сильно непроницаемой — функция, по их мнению, также может препятствовать проникновению вирусов и других небольших молекул.
В других тестах команда химически смешивала молекулы, чувствительные к pH, в слой гидрогеля, выстилающего одну сторону слоя эластомера, и зеленый пищевой краситель в противоположный слой гидрогеля.
Вновь поместили всю конструкцию в двухкамерный резервуар и с двух сторон залили диинизированной водой.
Когда исследователи изменили кислотность воды в аквариуме, они заметили, что части гидрогеля, содержащие индикаторы pH, загораются. Между тем, зеленый краситель медленно просачивался из противоположного слоя гидрогеля во второй резервуар, имитируя действие молекул лекарства.
«Мы можем помещать молекулы, чувствительные к pH, в гидрогели или лекарства, которые высвобождаются постепенно», — говорит Парада. "Для различных применений мы можем модифицировать гель, чтобы он соответствовал этому приложению."
Завязывание узлов
В качестве первого набега на возможные области применения гидрогелевых ламинатов исследователи использовали свои ранее разработанные методы для нанесения гидрогеля на различные эластомерные устройства, включая силиконовые трубки, катетер Фолея и презерватив. «Нашим первым основным направлением были катетеры, потому что они жесткие и не очень удобные, а инфицирование катетеров может вызвать около 50% повторных госпитализаций в больницы», — говорит Парада. «Мы также думали, что можем применить это к презервативам, потому что существующие латексные презервативы вызывают много чувствительности и аллергии, и если вы можете добавить лекарства в гель, у вас будет лучшая защита."
Даже после резкого сгибания и складывания покрытой трубки в узел исследователи обнаружили, что гидрогелевое покрытие остается прочно связанным с трубкой, не вызывая разрывов.
То же самое было верно, когда исследователи надували и катетер с покрытием, и презерватив с покрытием.
Парада говорит, что размеры гидрогелевого ламината могут быть изменены для размещения различных устройств.
Например, ученые могут выбрать более толстый эластомер для увеличения жесткости ламината или использовать более толстое покрытие из гидрогеля для включения большего количества молекул лекарства или датчиков. Гидрогели также могут быть более или менее скользкими, в зависимости от желаемого трения.
«У нас есть возможность изготавливать крупномасштабные гидрогелевые структуры, которые могут покрывать медицинские устройства, и гидрогель не будет волновать организм», — говорит Чжао. «Это технологическая платформа, на которой можно представить множество приложений."