Les scientifiques utilisent les capacités adhésives des moules comme modèle pour optimiser les propriétés mécaniques des hydrogels – –

Ces qualités permettent aux hydrogels de simuler des tissus vivants pour le remplacement ou la régénération des tissus. L’une des applications les plus utiles est la cicatrisation des plaies. Les hydrogels sont idéaux à cette fin, avec leur capacité à s’hydrater et à former un environnement humide et favorable. Cela facilite les processus bénéfiques pour la cicatrisation des plaies, tels que la formation de vaisseaux sanguins, la dégradation des tissus morts, l’activation des cellules immunitaires, la prévention de la mort des cellules vivantes et des tissus et même le soulagement de la douleur.

Les hydrogels naturels, en particulier les hydrogels de gélatine méthacryloyle (GelMA), sont privilégiés pour la cicatrisation des plaies en raison de leur biosécurité et de leur biocompatibilité exceptionnelle. Mais leur utilisation est entravée par leurs propriétés mécaniques intrinsèquement médiocres telles qu’une élasticité limitée, une fragilité et une rigidité relatives, et leur incapacité à adhérer aux surfaces des tissus. Afin d’améliorer ces caractéristiques, des variations sur les méthodes de préparation et les composants ont été tentées.

Lorsqu’un hydrogel GelMA est préparé, une solution de gélatine est préparée en mélangeant et en dissolvant la gélatine dans l’eau. Il en résulte une dispersion des chaînes polymères de gélatine dans l’eau. Un produit chimique appelé photo-initiateur est ensuite ajouté à la solution, ce qui rend les chaînes polymères collantes et leur permet de se coller les unes aux autres. L’exposition à la lumière UV active les photo-initiateurs et les chaînes polymères se réticulent les unes aux autres pour former un réseau. Les molécules d’eau pénètrent dans ce réseau, étirant les chaînes et s’y enfermant ; ceci illustre les pouvoirs d’absorption des hydrogels et est le point où la gélification, ou la solidification, se produit.

Les propriétés de ce gel peuvent être modifiées en ajoutant des produits chimiques qui se lient aux chaînes polymères avant l’exposition aux UV, ou les paramètres UV eux-mêmes peuvent être modifiés pour ajuster les propriétés du gel. Certaines de ces modifications ont été expérimentées dans des tentatives précédentes pour améliorer les propriétés physiques de GelMA.

Une approche consistait à introduire des produits chimiques supplémentaires dans la solution GelMA avant la réticulation ; l’hydrogel chimiquement conjugué résultant a montré une légère amélioration de l’adhérence tissulaire. D’autres tentatives ont été faites pour renforcer GelMA en renforçant des films GelMA minces et flexibles chimiquement conjugués avec des produits chimiques supplémentaires. Mais des défis restent à relever avec l’amélioration simultanée des trois propriétés mécaniques de ténacité, d’élasticité et de force adhésive dans les hydrogels GelMA.

Une équipe collaborative de l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale (TIBI) a développé des méthodes pour améliorer ces trois propriétés dans les hydrogels GelMA dans une procédure simple avec des paramètres de fabrication réglables.

Les chercheurs se sont d’abord tournés vers un exemple trouvé dans la nature dans leur approche pour améliorer l’adhérence dans les hydrogels. Les moules marines sécrètent des fils solides qui sont utilisés comme attaches et cordes de traction sur les rochers et autres surfaces irrégulières. Pour former ces fils, les moules produisent des protéines d’adhésion en milieu acide ; lors de l’exposition à l’eau de mer légèrement alcaline, les protéines subissent un changement chimique qui stimule la formation de fils.

De manière correspondante, l’équipe TIBI a ajouté de grandes quantités de dopamine, un analogue chimique de la protéine d’adhésion des moules, à GelMA pour augmenter sa résistance, son élasticité et ses propriétés adhésives. Ils ont également soumis le mélange à des conditions alcalines pour augmenter encore la force adhésive du GelMA.

Les résultats ont montré que l’ajout de grandes quantités de dopamine à la solution GelMA pouvait augmenter l’élasticité de l’hydrogel résultant de près de six fois et sa résistance de plus de trois fois. D’autres expériences ont montré que lorsque la dopamine est soumise à des conditions alcalines avant l’étape de réticulation, la force d’adhérence peut être augmentée jusqu’à quatre fois et sa résistance aux forces de cisaillement de près de sept fois.

“Les expériences que nous avons menées fournissent des informations précieuses sur les procédures d’activation de la ténacité et de l’adhérence dans les hydrogels à base de GelMA”, a déclaré Hossein Montazarian, Ph.D., premier auteur du projet.

Les chercheurs continueront à expérimenter d’autres produits chimiques pour optimiser leurs effets sur les propriétés mécaniques de GelMA. Cela peut conduire à des améliorations dans des applications supplémentaires telles que des dispositifs portables pouvant être attachés à la peau ou des implants internes cicatrisants et régénératifs.

“Les connaissances acquises ici sur les propriétés mécaniques fondamentales des hydrogels peuvent avoir des effets de grande envergure sur les applications biomédicales”, a déclaré Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur et PDG de TIBI. “C’est l’un des nombreux exemples de recherche percutante de notre plateforme de biomatériaux.”

Ce travail a été financé par le National Institutes of Health (1R01EB023052-01A1, 1R01HL140618-01).