Les ingénieurs du MIT créent un hydrogel plus respirant

Jennifer Chu

Les hydrogels sont des matériaux mous et biocompatibles composés principalement d’eau et d’un peu de polymère. Cette substance ressemblant à du Jell-O est disponible sous forme de patchs médicaux, sprays et colles, et peut être appliquée sur la peau ou implantée dans le corps pour panser les plaies, fixer des implants et encapsuler puis libérer des médicaments au fil du temps.

Malgré leurs propriétés collantes, extensibles et protectrices, les hydrogels manquent d’une qualité essentielle : la respirabilité. Porté trop longtemps, un bandage ou un patch peut emprisonner l’humidité et la sueur, irritant les tissus et réduisant l’efficacité de tout dispositif auquel l’hydrogel adhère.

Aujourd’hui, des ingénieurs du MIT ont mis au point une recette pour un hydrogel à la fois hydraté et aéré, donc perméable à l’air. Ce nouveau matériau est aussi mou, extensible et robuste que les hydrogels classiques, mais un réseau de minuscules tunnels traversant le gel permet à l’air de circuler.

L’hydrogel aéré peut être porté plus longtemps que les hydrogels conventionnels sans provoquer d’irritation cutanée. Il réduit également l’accumulation de sueur, même pendant l’exercice. Lors d’expériences, des volontaires ont porté des moniteurs cardiaques sans fil attachés à leur poitrine avec ce nouvel hydrogel respirant. Après avoir fait de l’exercice régulièrement pendant 10 jours, les volontaires ne présentaient aucun signe d’irritation et les moniteurs cardiaques maintenaient des lectures claires.

Les résultats, publiés dans la revue Nature, pourraient permettre de produire des hydrogels plus durables, comme des bandages et pansements respirants, des masques cosmétiques, des lentilles de contact, ainsi que des moniteurs de santé et implants plus performants.

« L’eau et l’oxygène sont tous deux essentiels à la vie », affirme Xuanhe Zhao, titulaire de la chaire Uncas (1923) et Helen Whitaker de génie mécanique, et professeur de génie civil et environnemental, ainsi que de génie médical et des sciences. « Maintenant que nous avons ajouté de l’air aux hydrogels, les gens pourront leur trouver de nombreuses applications. »

Parmi les co-auteurs du MIT sur cette étude figurent Xiao-Yun Yan, Shucong Li, Won Jun Song, Runze Li, Bastien Aymon, Jingjing Wu, Gengxi Lu, Jiayi Liu, Shu Wang, Eric Lu, Hyunhee Lee, James Zhang, Casey O’Brien et Zachary Smith, ainsi que des collaborateurs de plusieurs autres institutions.

Respirer à travers le Jell-O

L’eau constitue environ 90 % d’un hydrogel typique. Le reste est composé de polymères. Lorsqu’ils sont mélangés à l’eau dans un processus chimique appelé « réticulation », les polymères se déposent dans une sorte d’échafaudage qui maintient l’eau en place, formant un gel à la fois mou et extensible. Mais comme la composition de l’ hydrogel est principalement de l’eau, il est intrinsèquement difficile pour l’air de traverser efficacement le matériau.

« D’une manière générale, l’eau n’est pas respirable », explique le co-auteur principal Xiao-Yun Yan. « L’hydrogel contient 80 à 90 % d’eau, comme le Jell-O. Et on ne peut pas respirer à travers le Jell-O. »

D’autres groupes ont tenté de concevoir des hydrogels perméables à l’air, principalement selon deux approches. La première consiste à percer des trous microscopiques dans le gel. Ces conceptions sont respirantes, mais seulement dans l’air. Plongés dans un liquide, les trous se bouchent rapidement.

Des chercheurs ont également essayé de mélanger l’hydrogel avec certains polymères, comme le silicone, qui laissent naturellement passer l’air. Mais cette approche nécessite d’ajouter une grande quantité de polymères à l’hydrogel pour créer suffisamment d’espace perméable pour que l’air traverse tout le gel. Ces hydrogels finissent par avoir un équilibre plus important entre polymère et eau, ce qui les rend globalement moins hydratés.

Zhao, qui est un leader dans le développement et l’application des hydrogels, a cherché à fabriquer un hydrogel qui laisse passer l’air sans perdre sa composition riche en eau.

« Nous voulons avoir beaucoup de minuscules canaux pour laisser passer l’air, tout en conservant beaucoup d’eau dans le gel », déclare Zhao. « C’était un défi important, et quelque chose que les gens pensaient impossible à réaliser. »

Des autoroutes pour l’air

Après plusieurs années de recherche, l’équipe a trouvé une recette idéale pour un hydrogel respirant qui minimise les ingrédients non aqueux nécessaires pour laisser passer l’air. Dans leur nouvelle étude, ils rapportent que la clé de la recette est la « séparation de phases ». Un exemple courant de ce processus est l’interaction entre l’huile et l’eau. La différence de phases des deux liquides les fait se séparer instantanément. Lorsqu’ils sont mélangés, l’huile et l’eau se regroupent entre elles, tout en évitant l’autre.

Zhao et ses collègues ont exploité la séparation de phases viscoélastique pour concocter un hydrogel respirant. Pour leur nouvelle conception, ils ont mélangé leur recette d’hydrogel classique avec une très petite quantité de particules d’aérogel de silice, qui sont essentiellement des bulles d’air « solides ».

« Elles sont comme des perles de boba », explique Yan. « Les particules sont faites de silice, qui est hydrophobe, ce qui signifie que l’eau ne veut pas les traverser, donc elles sont très stables dans l’eau. »

Et il s’avère que les particules sont similaires à l’huile lorsqu’elles sont mélangées à l’eau. Les chercheurs ont constaté qu’en mélangeant juste une petite quantité de particules avec une solution d’hydrogel riche en eau, les molécules d’eau se regroupent, se trouvant essentiellement plus rapidement que les particules de silice moins abondantes. Cet effet de séparation de phases viscoélastique a créé de grandes poches d’eau et a comprimé les particules de silice en tunnels minces et interconnectés. L’équipe a observé qu’après quelques heures, cet effet formait un réseau de tunnels fins et robustes, recouverts de silice, à travers lesquels l’air pouvait circuler.

« C’est comme si les particules formaient un réseau de tunnels connectés, comme des autoroutes perméables à l’air au sein de l’hydrogel hydraté », explique le co-auteur principal Shucong Li.

Une fois qu’ils ont confirmé la formation du réseau, l’équipe a réticulé le mélange, gelant essentiellement le gel et son réseau respirant en place. Ils ont ensuite testé la respirabilité et les performances mécaniques du gel lors de plusieurs expériences, dont l’une où ils ont demandé à plusieurs volontaires de porter le gel, attaché à un moniteur d’électrocardiogramme (ECG) sans fil, tout en faisant de l’exercice pendant 20 minutes. Les volontaires ont également porté des moniteurs avec des adhésifs hydrogels conventionnels du commerce.

Tout au long des séances d’entraînement, les chercheurs ont observé que l’hydrogel respirant maintenait un fort signal ECG, contrairement au gel conventionnel qui présentait des fluctuations de signal significatives. Les chercheurs ont observé des résultats similaires dans une expérience avec plusieurs volontaires qui ont porté l’hydrogel respirant et le moniteur ECG pendant 10 jours.

« Nous avons constaté de manière fiable qu’après 10 jours, la qualité du signal ECG est encore assez bonne, et après avoir retiré le moniteur, il n’y avait pas de cloques ni de rougeurs notables sur la peau », explique Li. « Cela indique un état de peau sain. »

L’équipe a également exercé le gel lui-même, en le soumettant à 10 000 cycles d’étirement et de compression. Après ces tests, ils ont constaté que le gel conservait toujours le réseau de canaux d’air, maintenant ainsi sa respirabilité.

« Après 10 000 cycles, la perméabilité à l’oxygène a chuté de moins de 5 % », explique Li. « Cela compte, car même avec votre rythme cardiaque, votre poitrine subit en continu de petites contraintes. Nous devons donc nous assurer que ce gel est durable pour une telle activité quotidienne. »

Zhao indique que cette nouvelle étude fournit une approche novatrice pour fabriquer des hydrogels respirants et multifonctionnels, en utilisant le concept de séparation de phases viscoélastique comme guide.

« Nous avons découvert que ce processus peut créer ces hydrogels perméables à l’air, et nous démontrons une application », dit-il. « Mais nous pensons qu’il peut y avoir de très nombreuses applications. C’est une plateforme technologique. »

Ces travaux ont été réalisés en partie grâce à l’utilisation des installations de MIT.nano. Ces travaux ont été soutenus en partie par la bourse de la faculté MIT Hatsopoulos, la chaire Uncas et Helen Whitaker, une subvention de démarrage HEALS, les National Institutes of Health, la National Science Foundation et les programmes de recherche médicale dirigés par le Congrès du ministère de la Défense.

Article : “Air-permeable hydrogels via viscoelastic phase separation of aerogels” – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT