Et si le personnel médical d’urgence pouvait traiter un patient désespérément malade ayant besoin d’oxygène avec une simple injection au lieu de devoir compter sur la ventilation mécanique ou de se précipiter pour le faire passer sur un pontage cardiaque-poumon ?
Une nouvelle approche du transport des gaz utilisant une classe de matériaux appelés liquides poreux représente un grand pas vers les transporteurs d’oxygène artificiels et démontre l’immense potentiel biomédical de ces fluides inhabituels.
Dans une étude publiée le mois dernier dans La nature, une équipe de scientifiques du département de chimie et de biologie chimique de Harvard détaille une nouvelle approche du transport de gaz dans des environnements aqueux à l’aide de liquides poreux. Les auteurs ont identifié et adapté plusieurs cadres poreux qui peuvent stocker des concentrations de gaz beaucoup plus élevées, y compris l’oxygène (O2) et le dioxyde de carbone (CO2), que les solutions aqueuses normales. Cette percée pourrait détenir la clé de la création de sources d’oxygène injectables comme thérapie relais pour l’arrêt cardiaque, de la création de substituts sanguins artificiels et de la résolution des problèmes de longue date liés à la préservation des organes pour les greffes.
« Nous avons réalisé qu’il y aurait beaucoup d’avantages à utiliser des liquides à microporosité permanente pour relever les défis du transport de gaz dans l’eau et d’autres environnements aqueux », a déclaré Jarad Mason, auteur principal de l’article et professeur adjoint de chimie et de biologie chimique. « Nous avons conçu des fluides capables de transporter l’O2 à des densités supérieures à celles du sang, ce qui ouvre de nouvelles opportunités passionnantes pour le transport des gaz pour une variété d’applications biomédicales et énergétiques. »
Les liquides à microporosité permanente sont une nouvelle classe de matériaux composés de particules poreuses microscopiques dispersées dans un milieu liquide. Imaginez de minuscules morceaux recyclables en forme d’éponge capables d’absorber les gaz dans leurs trous et de les libérer. Jusqu’à présent, tous les liquides poreux étaient constitués de nanocristaux microporeux ou de molécules cages organiques dispersées dans des solvants organiques ou des liquides ioniques trop volumineux pour diffuser à travers les entrées des pores. Les chercheurs ont développé une nouvelle stratégie pour créer des liquides poreux aqueux – appelés « eau microporeuse » – avec des capacités gazeuses élevées basées sur la thermodynamique.
Le travail a été dirigé par des membres du laboratoire de Mason, notamment les doctorants Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, le chercheur postdoctoral Christopher DelRe et le premier cycle Ricardo Sanchez. Des simulations informatiques et des expériences biologiques ont également été réalisées en collaboration avec des scientifiques du Boston Children’s Hospital et de la Northwestern University, notamment Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao et Monica Olvera de la Cruz.
L’eau est une molécule polaire, ce qui en fait un excellent solvant pour d’autres molécules polaires telles que l’éthanol et le sucre, mais elle est bien pire pour dissoudre les molécules non polaires comme le gaz O2. Ainsi, l’eau pure peut transporter 30 fois moins d’oxygène que les globules rouges. La solubilité extrêmement faible des gaz dans l’eau a imposé une limite stricte à de nombreuses technologies biomédicales et énergétiques qui nécessitent le transport de molécules de gaz à travers des fluides aqueux. Ce nouveau mécanisme de transport du gaz surmonte la faible solubilité des gaz dans l’eau et permet un transport rapide du gaz.
Inspiré par les pores de certaines protéines qui sont accessibles aux molécules d’eau mais restent globalement secs dans les solutions aqueuses, l’équipe a proposé que des nanocristaux microporeux avec des surfaces internes hydrophobes et des surfaces externes hydrophiles puissent être conçus pour laisser le cadre microporeux sec en permanence dans l’eau et disponible pour absorber molécules de gaz.
« Nous avons dû concilier deux propriétés apparemment contradictoires », a déclaré Erdosy. « Nous avons conçu la surface interne pour qu’elle soit hydrophobe et hydrofuge, et la surface externe pour qu’elle soit hydrophile et aimant l’eau, car sinon le fluide se séparerait en phases comme l’huile et l’eau. »
L’équipe a synthétisé les matériaux dans leur laboratoire et testé leur capacité à absorber et à libérer des gaz. Ils ont découvert que l’eau microporeuse peut transporter de manière réversible des densités extrêmement élevées de gaz dans des environnements à base d’eau. En utilisant cette stratégie, l’équipe a développé un liquide poreux qui peut transporter une densité d’O2 plus élevée que celle qui est même présente dans le gaz pur. Ces liquides poreux aqueux présentent une remarquable stabilité de conservation, leur permettant d’être conservés à température ambiante pendant des mois avant utilisation.
« Avec un peu plus de développement, vous pourriez imaginer stocker de l’oxygène dans un liquide microporeux sur une ambulance pour qu’il soit prêt à être injecté à une personne chaque fois que cela est nécessaire », a déclaré Wenny.
Le laboratoire prévoit de mener d’autres expériences sur l’eau microporeuse pour tester ses applications biomédicales, tout en continuant à explorer d’autres utilisations potentielles des matériaux.
« Nous voulons développer plus de matériaux et de modèles animaux pour créer et tester un transporteur d’oxygène in vivo », a déclaré Erdosy. « Nous avons également un projet plus axé sur l’énergie prévu sur l’utilisation d’eau microporeuse pour relever les défis du transport de gaz dans l’électrocatalyse. »
Daniel P. Erdosy et al, Eau microporeuse à forte solubilité dans les gaz, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05029-w
Fourni par Harvard Gazette
Cette histoire est publiée avec l’aimable autorisation de Gazette de Harvard, journal officiel de l’Université de Harvard. Pour plus d’informations sur l’université, visitez Harvard.edu.