Учёные создали гидрогели с управляемыми порами по принципу оригами

Предложенная стратегия использует архитектуру граней и шарниров для управления набуханием граней в полигональных порах по заданным направлениям, обеспечивая точный контроль закрытия и восстановления пор. Автор: Сеульский национальный университет науки и технологий (SEOULTECH)

Гидрогели — это мягкие, богатые водой полимерные материалы, которые могут набухать или сжиматься в ответ на внешние стимулы. Эта способность изменять форму делает их ценными для миниатюрных устройств гибкой электроники, микроробототехники, интеллектуальных поверхностей и биомедицинских применений, таких как доставка лекарств. Например, поры гидрогелей можно спроектировать для захвата и высвобождения мельчайших частиц лекарств по требованию.

Однако большинство современных гидрогелевых пор используют круговые конструкции, которые ограничивают контроль над изменением формы и приводят к непредсказуемому, медленному срабатыванию. Они часто закрываются неравномерно и плохо восстанавливаются, что снижает их точность и надежность.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под руководством профессора Хёнсика Юна из Департамента химической и биомедицинской инженерии Сеульского национального университета науки и технологий в Корее представила новую стратегию складывания, вдохновленную оригами, для обратимого приведения в действие гидрогелевых пор.

«В отличие от обычных круглых пор, которые приводят к случайному складыванию, наш дизайн предполагает стратегию складывания, управляемую гранями, интегрируя архитектуры шарниров и граней, вдохновленные оригами, в полигональные гидрогелевые поры, чтобы обеспечить программируемое и предсказуемое срабатывание», — объясняют исследователи.

В команду также вошли доктор Джи Хун Ким и профессор Во Бо Ли из Сеульского национального университета. Их исследование было опубликовано в журнале Matter.

Предложенная стратегия использует полигональные поры с фиксированными границами и предопределенными шарнирами для контролируемого закрытия и восстановления пор. При набухании грани полигональных пор выпячиваются внутрь к центру поры по определенным направлениям, задаваемым предопределенными шарнирами в вершинах, в конечном итоге закрывая пору. Когда гидрогель сжимается, грани восстанавливаются по тем же траекториям, достигая предсказуемого восстановления.

Графическая аннотация. Автор: Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102248

Кроме того, степень закрытия пор можно контролировать, изменяя полигональную форму и точно настраивая геометрические свойства. Важно, что полигональные поры сохраняют 90% своей первоначальной формы после повторяющихся циклов набухания-сжатия, демонстрируя превосходную надежность.

Исследователи применили эту стратегию для достижения высвобождения микрочастиц, запускаемого pH, где поры высвобождают микрочастицы поэтапно, в зависимости от pH окружающей среды.

«Этот механизм, чувствительный к pH, чрезвычайно полезен для применения в доставке лекарств, где высвобождение препарата является поэтапным и нацелено на определенные области, отмеченные колебаниями pH», — говорит профессор Ли.

Исследователи также изучили шифрование информации с использованием этих пор, создав смешанную матрицу квадратных и круглых гидрогелевых пор, содержащих флуоресцентные частицы. Разница в поведении при закрытии между двумя формами позволила им скрывать или раскрывать паттерны, обеспечивая одноразовое шифрование.

«Наша стратегия может быть интегрирована в системы доставки лекарств для достижения высокой пространственной и временной точности, улучшения терапевтических результатов при минимизации побочных эффектов», — заявляет доктор Ким. — «Более того, этот дизайн открывает новые возможности для передовых систем „лаборатория на чипе“, компонентов мягкой робототехники следующего поколения и диагностических анализов».

Дополнительная информация: Ji Hoon Kim et al, Facet-driven folding for precise control of hydrogel pore actuation, Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102248

Источник: Seoul National University of Science and Technology