Исследователи из Технического университета Дармштадта (Германия) выяснили, как микрогели — крошечные мягкие полимерные частицы — помогают стабилизировать чрезвычайно тонкие жидкие струи. Работа опубликована в журнале Nature Communications и открывает новые перспективы для безыгольных инъекций и струйной печати.
Микрогели, как и мыло, скапливаются на границе воды и воздуха и снижают поверхностное натяжение, но они нетоксичны и действуют иначе. В эксперименте ученые с помощью ультразвука (64 МГц) создавали из капли струю диаметром около 0,2 мм и снимали процесс на высокоскоростную камеру.
Оказалось, что стабильность струи, достигающей в длину целого сантиметра, напрямую зависит от жесткости микрогелей. Чем мягче частицы, тем дольше струя сохраняет целостность, тогда как жесткие микрогели приводят к ее быстрому распаду. Причина в том, что мягкие частицы легче деформируются и растягиваются на границе раздела сред, оставаясь соединенными друг с другом, что поддерживает низкое поверхностное натяжение.
Это свойство особенно важно для безыгольных систем доставки лекарств, где сверхтонкие быстрые струи вводят препарат сквозь кожу без обычных игл. Лучший контроль над устойчивостью струи сделает такие системы более надежными, а в перспективе поможет сократить количество медицинских отходов от одноразовых игл. Кроме того, результаты могут пригодиться для совершенствования технологий струйной печати.
Наблюдать за этим процессом непросто, ведь он происходит быстрее, чем может воспринять человеческий глаз: ученые использовали камеру с разрешением менее миллисекунды. Особую ценность работе придает то, что в ней впервые прослежена связь между поведением отдельных наноразмерных частиц и устойчивостью макроскопической струи длиной в сантиметр.
Компьютерное моделирование показало, что взаимодействие мягких микрогелей создает на границе раздела фаз своего рода защитную сеть, предотвращающую разрыв струи. Авторы подчеркивают, что их исследование выводит изучение микрогелей из сугубо фундаментальной области в плоскость реальных технологий, открывая путь к более точным и безопасным системам дозирования и инъекциям будущего.
Ранее мы рассказывали о том, что в Томске создали новый гибридный материал для медицины.