Des chercheurs de l’Université d’Hokkaido au Japon ont combiné des tissus naturels de calmar avec des polymères synthétiques pour développer un hydrogel solide et polyvalent qui imite de nombreuses propriétés uniques des tissus biologiques. Les hydrogels sont des réseaux de polymères contenant de grandes quantités d’eau et sont explorés pour de nombreuses utilisations, y compris les prothèses médicales, les composants robotiques mous et les nouveaux systèmes de capteurs.
L’équipe d’Hokkaido rend compte de sa contribution à ce domaine de recherche en évolution rapide dans la revue Matériaux NPG Asie.
Les tissus biologiques naturels présentent des propriétés uniques essentielles à leurs fonctions, que les chercheurs cherchent à reproduire dans des hydrogels. Les muscles, par exemple, en plus de la force et de la flexibilité, ont des propriétés physiques qui varient dans différentes directions et sont construits à partir d’une hiérarchie de structures travaillant ensemble. Les os et les vaisseaux sanguins présentent également ces caractéristiques, connues sous le nom d’anisotropie hiérarchique.
Contrairement aux tissus naturels que les chercheurs souhaitent imiter, la plupart des hydrogels synthétiques ont des propriétés uniformes dans toutes les directions et sont structurellement faibles.
« En combinant les propriétés des tissus dérivés du calmar avec des polymères synthétiques, nous avons démontré une stratégie hybride qui sert de méthode générale pour préparer des hydrogels avec une anisotropie hiérarchique utile et également une ténacité », explique le scientifique des polymères Tasuku Nakajima de l’équipe de l’Université d’Hokkaido.
Le processus de fabrication commence par un manteau de calmar congelé disponible dans le commerce, la principale partie extérieure d’un calmar. Chez les calmars vivants, le manteau se dilate pour absorber l’eau dans le corps, puis se contracte fortement pour projeter l’eau vers l’extérieur sous forme de jet. Cette capacité dépend des muscles anisotropes du tissu conjonctif du calmar. Les chercheurs ont profité des arrangements moléculaires au sein de ce système naturel pour construire leur gel bio-imitateur.
Lorsqu’une encoche est découpée dans le gel à double réseau de polymère synthétique de calmar et qu’elle est progressivement étirée, la rupture ne coupe pas directement à travers le composite car les fibres musculaires suppriment la propagation des fissures. Crédit : Shou Ohmura, et al. Matériaux NPG Asie. 20 janvier 2023
Le traitement chimique et thermique de fines tranches de tissu de calmar décongelé mélangé avec des molécules de polymère de polyacrylamide a initié la formation de l’hydrogel hybride réticulé. Il a ce qu’on appelle une structure à double réseau, avec le réseau de polymères synthétiques intégré et lié au réseau de fibres musculaires plus naturel dérivé du manteau de calmar.
« Le gel DN que nous avons synthétisé est beaucoup plus résistant et plus élastique que le manteau de calmar naturel », explique le professeur Jian Ping Gong, qui dirigeait l’équipe. « La structure composite unique rend également le matériau incroyablement résistant à la rupture, quatre fois plus résistant que le matériau d’origine. »
Le travail actuel de preuve de concept ne devrait être que le début de l’exploration de nombreux autres hydrogels hybrides qui pourraient exploiter les propriétés uniques d’autres systèmes naturels. Les méduses ont déjà été utilisées comme source de matériau pour des hydrogels à réseau unique plus simples, elles sont donc un prochain choix évident pour explorer les options hybrides à double réseau.
Lorsqu’une encoche est découpée dans le gel à double réseau de calmar et de polymère synthétique et qu’elle est étirée avec un poids de 500 grammes, elle ne se fracture pas. Crédit : Shou Ohmura, et al. Matériaux NPG Asie. 20 janvier 2023
« Les applications possibles incluent les tissus fibreux artificiels porteurs, tels que les ligaments et les tendons artificiels, à usage médical », explique Gong. D’autres travaux de l’équipe exploreront la biocompatibilité des gels et étudieront les options pour fabriquer une gamme de gels adaptés à différentes utilisations.
Plus d’information:
Gel double réseau calmar/polymère synthétique : anisotropie élaborée et excellente ténacité à la rupture, Matériaux NPG Asie (2023). DOI : 10.1038/s41427-022-00454-9