Les hydrogels sont des biomatériaux polyvalents qui conquièrent un nombre croissant de domaines biomédicaux. Constitués de réseaux moléculaires gonflés par l’eau qui peuvent être adaptés pour imiter les caractéristiques mécaniques et chimiques de divers organes et tissus, ils peuvent s’interfacer avec le corps et sur ses surfaces externes sans causer de dommages, même aux parties les plus délicates de l’anatomie humaine.
Les hydrogels sont déjà utilisés dans la pratique clinique pour l’administration thérapeutique de médicaments destinés à lutter contre les agents pathogènes ; comme lentilles intraoculaires et de contact, et prothèses cornéennes en ophtalmologie ; ciment osseux, pansements pour plaies, bandages coagulants et échafaudages 3D pour l’ingénierie et la régénération tissulaires.
Cependant, attacher rapidement et fortement les polymères d’hydrogel les uns aux autres reste un besoin non satisfait, car les méthodes traditionnelles entraînent souvent une adhérence plus faible après des temps d’adhésion plus longs que souhaités et reposent sur des procédures complexes.
L’obtention d’une adhésion rapide des polymères pourrait permettre de nombreuses nouvelles applications, notamment des hydrogels dont la rigidité pourrait être finement ajustée pour mieux s’adapter à des tissus spécifiques, l’encapsulation à la demande de composants électroniques flexibles pour les diagnostics médicaux ou la création d’enveloppements de tissus auto-adhésifs. pour les parties du corps difficiles à panser.
Aujourd’hui, des scientifiques du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université Harvard et de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont créé une méthode simple et polyvalente pour lier instantanément et efficacement des couches constituées de types identiques ou différents de des hydrogels et d’autres matériaux polymères, utilisant un mince film de chitosane : un matériau fibreux à base de sucre dérivé des squelettes externes transformés des coquillages.
Les chercheurs ont appliqué avec succès leur nouvelle approche à plusieurs problèmes médicaux non résolus, notamment le refroidissement protecteur local des tissus, le scellement des lésions vasculaires et la prévention des « adhérences chirurgicales » indésirables des surfaces internes du corps qui ne devraient pas coller les unes aux autres. Les résultats sont publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Les films de chitosane, avec leurs capacités à assembler, affiner et protéger efficacement les hydrogels dans le corps et au-delà, ouvrent de nombreuses nouvelles opportunités pour créer des dispositifs pour la médecine régénérative et les soins chirurgicaux », a déclaré David Mooney, auteur principal et membre fondateur du corps professoral du Wyss Institute. , doctorat.
« La rapidité, la facilité et l’efficacité avec lesquelles ils peuvent être appliqués en font des outils et des composants très polyvalents pour les processus d’assemblage in vivo dans des délais souvent courts lors d’interventions chirurgicales, et pour la fabrication simple de structures de biomatériaux complexes dans les installations de fabrication », a déclaré Mooney. qui est également professeur familial de bio-ingénierie Robert P. Pinkas à SEAS.
Concevoir une nouvelle liaison
Au cours des dernières années, l’équipe de Mooney du Wyss Institute et de SEAS a développé des « adhésifs résistants », une collection d’approches de médecine régénérative qui utilisent des hydrogels étirables pour faciliter la cicatrisation des plaies et la régénération des tissus en adhérant fortement aux surfaces humides des tissus et en se conformant aux contraintes mécaniques des tissus. propriétés.
« Les adhésifs résistants et les hydrogels non adhésifs formulés avec précision nous offrent, ainsi qu’à d’autres chercheurs, de nouvelles opportunités pour améliorer les soins aux patients. Mais pour pousser leurs fonctionnalités une ou même plusieurs étapes plus loin, nous voulions pouvoir combiner deux hydrogels ou plus dans des assemblages plus complexes, et de le faire rapidement, en toute sécurité et selon un processus simple », a déclaré Benjamin Freedman, Ph.D., co-premier auteur et ancien associé de recherche de Wyss, qui a dirigé plusieurs développements d’adhésifs résistants avec Mooney.
« Les méthodes existantes pour lier instantanément des hydrogels ou des élastomères présentaient des inconvénients frappants car elles reposaient sur des colles toxiques, la fonctionnalisation chimique de leurs surfaces ou d’autres procédures complexes. »
Grâce à une approche de criblage de biomatériaux, l’équipe a identifié des films de pontage entièrement constitués de chitosane. Le chitosane est un polymère sucré qui peut être facilement fabriqué à partir de coquilles de chitine de coquillages et qui a déjà trouvé sa place dans de nombreuses applications commerciales. Par exemple, il est actuellement utilisé pour traiter les semences et comme biopesticide en agriculture, pour prévenir la détérioration lors de la vinification, dans les revêtements de peinture auto-cicatrisants et dans le traitement des plaies médicales.
L’équipe a découvert que les films de chitosane permettaient une liaison rapide et forte des hydrogels grâce à des interactions chimiques et physiques différentes de celles impliquées dans les méthodes traditionnelles de liaison des hydrogels.
Au lieu de créer de nouvelles liaisons chimiques basées sur le partage d’électrons entre atomes individuels (liaisons covalentes), induites par un petit changement de pH, les brins de sucre du chitosane absorbent rapidement l’eau résidant entre les couches d’hydrogel et s’emmêlent dans les supports polymères des hydrogels, formant ainsi de multiples liaisons via des interactions électrostatiques et des liaisons hydrogène (liaisons non covalentes).
Il en résulte des forces d’adhésion entre les hydrogels qui dépassent considérablement celles créées par les approches traditionnelles de liaison par hydrogel.
Premières candidatures
Pour démontrer l’étendue du potentiel de leur nouvelle méthode, les chercheurs se sont concentrés sur des défis médicaux très différents. Ils ont montré que les adhésifs résistants modifiés avec des films de chitosane pouvaient désormais être facilement enroulés autour de formes cylindriques comme un doigt blessé sous forme de bandages auto-adhésifs pour améliorer les soins des plaies. En raison de la teneur élevée en eau des hydrogels liés au chitosane, leur application a également permis le refroidissement local de la peau humaine sous-jacente, ce qui pourrait conduire à l’avenir à des traitements alternatifs contre les brûlures.
Les chercheurs ont également enveloppé des hydrogels (gels résistants) dont les surfaces ont été modifiées avec de fins films de chitosane de manière transparente autour de l’intestin, des tendons et des tissus nerveux périphériques sans se lier aux tissus eux-mêmes.
« Cette approche offre la possibilité d’isoler efficacement les tissus les uns des autres pendant les interventions chirurgicales, qui autrement peuvent former des ‘adhérences fibrotiques’ avec des conséquences parfois dévastatrices. Leur prévention est un besoin clinique non satisfait auquel les technologies commerciales ne peuvent pas encore répondre de manière adéquate », a expliqué Freedman.
Dans une autre application, ils ont appliqué un mince film de chitosane sur un gel résistant déjà placé ex vivo sur une aorte de porc blessée comme scellant pour augmenter la résistance globale du bandage, qui était exposé aux forces mécaniques cycliques du sang circulant à travers. le navire.
« Les nombreuses possibilités émergeant de cette étude menée par le groupe de Dave Mooney ajoutent une nouvelle dimension à l’ingénierie des dispositifs biomédicaux à hydrogel, ce qui pourrait conduire à des solutions élégantes à des problèmes urgents non résolus en médecine régénérative et chirurgicale dont de nombreux patients pourraient bénéficier », a déclaré Wyss Founding. Le directeur Donald Ingber, MD, Ph.D., qui est également professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children’s Hospital, et professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie bioinspirée à SEAS.
Les autres auteurs de l’étude sont le co-premier auteur Juan Cintron Cruz, Mathew Lee et James Weaver du Wyss Institute et de SEAS ; Phoebe Kwon, Haley Jeffers et Daniel Kent chez SEAS ; et Kyle Wu au centre médical Beth Israel Deaconess à Boston.
Plus d’information:
Adhésion tenace instantanée des réseaux polymères, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2304643121. est ce que je.org/10.1073/pnas.2304643121