Des scientifiques de l’Université de Birmingham ont développé un nouveau matériau qui passe d’un état gélifié à un état quasi liquide sous lumière ultraviolette, et qui peut être reconstitué par la chaleur ou démantelé par un acide.
Publiant leur découverte dans le Journal of the American Chemical Society, les chercheurs expliquent comment ils ont créé le premier gel multi-stimuli construit à partir de « foldamères » — des molécules synthétiques qui se replient en formes définies et peuvent être assemblées, désassemblées et réassemblées à la demande.
Leur découverte pourrait à terme aider les scientifiques à concevoir des capteurs intelligents, des catalyseurs commutables et des matériaux capables de capturer et de libérer des molécules sélectionnées à la demande.
Le matériau passe d’un gel à l’état solide à un état fluide, quasi liquide, lorsqu’il est exposé à la lumière ultraviolette. La chaleur restaure le gel, tandis que l’acide offre une autre voie pour décomposer son réseau moléculaire.
Les chercheurs de la School of Chemistry de Birmingham ont également transformé le matériau en hydrogel contenant de l’eau, sans perturber les connexions moléculaires qui le maintiennent. Ces travaux ont réuni l’expertise dans la conception de nouveaux gels, menée par le Dr Sarah Pike ; la chimie supramoléculaire, menée par le Dr Chiara Arno ; et la caractérisation structurelle au niveau atomique, menée par le Dr Dominik Kubicki.
Le Dr Sarah Pike a déclaré : « Un très léger changement de forme moléculaire se traduit par un changement visible dans tout le matériau, ce qui montre que des composants moléculaires soigneusement conçus peuvent nous donner le contrôle du comportement d’un gel en volume.
La recherche en est à un stade fondamental, mais la capacité de programmer plus d’une réponse dans le même matériau pourrait à terme orienter la conception de capteurs intelligents, de catalyseurs commutables et de matériaux qui capturent et libèrent des molécules sélectionnées à la demande. »
Dans le nouveau matériau, des molécules de foldamères hélicoïdaux sont reliées par des ions de palladium, qui jouent le rôle de connecteurs moléculaires à quatre voies. Ensemble, ils forment un réseau étendu qui emprisonne le liquide et confère au matériau ses propriétés de type gel. La lumière ultraviolette modifie la forme des unités photosensibles au sein des foldamères.
Bien que ce changement se produise à l’échelle de molécules individuelles, il est amplifié dans tout le réseau jusqu’à ce que le gel perde sa structure de type solide, tandis que la chaleur permet au réseau de se reformer. L’acide agit par un mécanisme distinct, en perturbant les connexions entre les foldamères et les ions de palladium.
Le Dr Chiara Arno a déclaré : « Les matériaux supramoléculaires sont assemblés à l’aide d’interactions réversibles plutôt que de liaisons chimiques permanentes. Cela nous offre la possibilité de créer des matériaux robustes dans des conditions normales, mais qui peuvent être réorganisés ou démantelés lorsque l’on applique le bon signal.
Nous avons transformé le matériau d’un gel à base de solvant organique en hydrogel contenant de l’eau, sans perturber sa structure sous-jacente. Les hydrogels sont largement utilisés en biotechnologie et en médecine car ils peuvent retenir de grandes quantités d’eau tout en maintenant leur intégrité structurelle.
Cela représente une avancée significative dans la mise au point de matériaux qui se comportent davantage comme des systèmes biologiques, en répondant intelligemment à leur environnement — par exemple, en libérant des médicaments uniquement lorsqu’ils sont exposés à un déclencheur spécifique, comme des variations d’acidité dans les tissus malades. »
Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide avec polarisation nucléaire dynamique (DNP RMN) pour examiner le gel à l’échelle atomique. L’augmentation de sensibilité offerte par la DNP a permis de ramener à seulement 12 heures une expérience estimée à environ sept ans en RMN conventionnelle.
Le Dr Dominik Kubicki a déclaré : « Voir un matériau changer ne représente que la moitié du travail. Si nous voulons concevoir de meilleurs gels réactifs, nous devons savoir précisément comment leurs blocs moléculaires sont connectés. La DNP RMN nous a fourni cette image à l’échelle atomique dans un matériau par ailleurs extrêmement difficile à étudier, ce qui nous a permis de résoudre un défi majeur de la science des gels. »
Ces travaux se situent à l’intersection de plusieurs domaines de recherche d’importance mondiale, notamment les matériaux avancés, les sciences pharmaceutiques et la délivrance de médicaments. Les applications futures pourraient inclure :
- La délivrance ciblée de médicaments ;
- La libération contrôlée de molécules thérapeutiques ;
- Les matériaux biomédicaux ;
- Les systèmes de détection intelligents ; et
- La catalyse et la fabrication chimique.
Ces travaux ont été soutenus par l’UKRI, l’Engineering and Physical Sciences Research Council, le Biotechnology and Biological Sciences Research Council, la Royal Society, la Royal Society of Chemistry, le Leverhulme Trust et des programmes de recherche européens. L’infrastructure spécialisée de DNP RMN à basse température a été utilisée à l’Université de Göteborg.
Article : Dual Photo- and pH-Responsive Foldamer Metallogels – Journal : Journal of the American Chemical Society – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1021/jacs.6c07355/5237181/Dual-Photo-and-pH-Responsive-Foldamer-Metallogels
Source : Birmingham U;
