可以注射到体内的凝胶状材料在治愈受伤组织或制造全新组织方面具有巨大潜力。许多研究人员正在努力开发这些水凝胶用于生物医学用途，但到目前为止，很少有人进入临床。

为了帮助指导这种材料的开发，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员创建了一套计算模型来预测材料的结构、机械性能和功能性能结果。这种材料是由类似于软软的乐高积木的微型积木制成的。研究人员希望他们的新框架可以使设计可以用于不同类型应用的材料变得更容易，到目前为止，这主要是一个试错过程。

机械工程副教授、麻省理工学院医学工程与科学研究所(Institute for Medical engineering and Science at MIT)成员埃伦·罗奇(Ellen Roche)说:“从材料的角度和临床应用的角度来看，这真的令人兴奋。”“更广泛地说，这是一个很好的例子，将实验室数据合成成可用的东西，可以为你提供预测指南，适用于这些水凝胶以外的东西。”

罗奇和哈佛大学Hansjörg Wyss生物工程学教授詹妮弗·刘易斯是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《物质》杂志上。Connor Verheyen是哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生，是这篇论文的主要作者。

材料建模

当单个的水凝胶块被紧密地压实在一起时，它们形成了一种被称为颗粒基质的凝胶状材料。根据条件，这些材料可以作为固体或液体，这使得它们成为3d生物打印工程组织等应用的良好候选者。一旦注射或植入体内，它们就能释放药物或帮助受损组织再生。

Verheyen说:“这些材料具有很大的灵活性和可定制性，因此将它们用于生物医学应用非常令人兴奋。”

在刘易斯的实验室工作期间，由刘易斯和罗氏共同担任顾问的Verheyen开始试图弄清楚如何使这些材料具有可靠的可注射性。这是一项艰巨的任务，需要大量的试错实验，通过改变凝胶的不同特征，希望优化它们的结构和力学行为，以实现可注射性。

他说:“这促使我们努力将经验数据转化为机器可以阅读和使用的东西，然后要求它建立一个预测地图，我们可以询问它，以帮助我们了解正在发生的事情以及如何进行下一步。”

为了创建他们的设计框架，研究人员将组装过程分解为几个阶段。他们分别模拟了这些阶段，使用的数据来自他们自己的实验，这些实验是在各种不同的条件下完成的。

在第一阶段，该模型分析了生物块的起始材料以及它们是如何组装的对生物块性能的影响。在第二阶段，生物块被堆积在一起，形成称为“颗粒水凝胶”的结构。通过他们的建模，研究人员确定了几个影响最终凝胶可注射性的因素，包括生物块的大小和硬度，块之间间质液的粘度，以及用于注射凝胶的针和注射器的尺寸。

更好的注入能力

现在，他们已经建立了从头到尾的过程模型，研究人员可以使用他们的模型来预测创造具有特定应用所需特性的材料的最佳方法，而不是对每种新材料进行广泛的试错过程。

Verheyen说:“我们的长期目标是达到我们具有可靠和可预测的注射性能的地步，因为这是我们在实验室中真正努力的事情——让这些材料正常流动。”

他和罗氏实验室的其他人现在计划使用这种建模方法，尝试开发可用于医疗应用的材料，如修复心脏缺陷或将药物输送到胃肠道。

研究人员还将他们的模型和用于生成模型的数据发布到网上，供其他实验室使用。

“这都是开源的，希望它能减少你在复制另一个实验室里发生的事情时遇到的挫折，甚至是在一个实验室里，当你把知识从一个人转移到另一个人时。”罗奇说。

这项研究由Vannevar Bush教员奖学金计划、国家科学基金会和MathWorks种子基金资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。