Les hydrogels s’imposent comme des matériaux de choix dans le domaine biomédical, grâce à leur capacité à reproduire les caractéristiques mécaniques et chimiques de divers organes et tissus. Ces réseaux moléculaires gorgés d’eau s’intègrent harmonieusement au sein de l’organisme et sur ses surfaces externes, sans endommager les parties les plus sensibles de l’anatomie humaine.
En pratique clinique, les hydrogels sont déjà utilisés pour la livraison thérapeutique de médicaments contre les agents pathogènes, comme lentilles intraoculaires et de contact, prothèses cornéennes en ophtalmologie, ciment osseux, pansements, bandages coagulants et échafaudages 3D en ingénierie tissulaire et régénération.
Un défi de taille : l’adhésion rapide des polymères hydrogel
Toutefois, la capacité à lier rapidement et solidement entre eux les polymères hydrogel reste un besoin non satisfait. Les méthodes traditionnelles conduisent souvent à une adhésion plus faible après des temps d’adhésion plus longs que souhaité et nécessitent des procédures complexes. Une adhésion rapide des polymères ouvrirait la voie à de nouvelles applications, telles que des hydrogels à rigidité ajustable, l’encapsulation à la demande d’électronique flexible pour le diagnostic médical ou la création de bandages auto-adhésifs pour les parties du corps difficiles à panser.
Une méthode innovante pour l’assemblage des hydrogels
Des scientifiques de l’Institut Wyss pour l’Ingénierie Biologiquement Inspirée de l’Université Harvard et de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont mis au point une méthode simple et polyvalente pour lier instantanément et efficacement des couches composées de mêmes ou de différents types d’hydrogels et d’autres matériaux polymères, en utilisant un film mince de chitosane, un matériau fibreux et sucré dérivé des squelettes externes traités de crustacés.
Cette nouvelle approche a été appliquée avec succès à plusieurs problèmes médicaux non résolus, tels que le refroidissement protecteur local des tissus, la fermeture des blessures vasculaires et la prévention des « adhérences chirurgicales » indésirables entre les surfaces internes du corps.
« Les films de chitosane, avec leur capacité à assembler, affiner et protéger 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 l’auteur principal et membre fondateur de l’Institut Wyss, le Dr David Mooney. « La rapidité, la simplicité et l’efficacité de leur application en font des outils et composants extrêmement polyvalents pour les processus d’assemblage in vivo, souvent dans des fenêtres de temps courtes pendant les chirurgies, et pour la fabrication simple de structures biomatérielles complexes dans les installations de production. »
Créer de nouveaux liens
Au cours des dernières années, l’équipe du Dr Mooney à l’Institut Wyss et à la SEAS a développé des « Adhésifs Robustes », une collection d’approches en médecine régénérative qui utilisent des hydrogels extensibles pour faciliter la cicatrisation des plaies et la régénération tissulaire en adhérant fortement aux surfaces tissulaires humides et en s’adaptant aux propriétés mécaniques des tissus.
« Les Adhésifs Robustes précisément formulés et les hydrogels non adhésifs nous donnent, ainsi qu’à d’autres chercheurs, de nouvelles opportunités d’améliorer les soins aux patients. Mais pour aller plus loin dans leurs fonctionnalités, nous voulions pouvoir combiner deux hydrogels ou plus dans des assemblages plus complexes, et ce, rapidement, en toute sécurité et par un processus simple », a expliqué le co-premier auteur et ancien associé de recherche à l’Institut Wyss, le Dr Benjamin Freedman.
À travers une approche de criblage de biomatériaux, l’équipe a identifié des films de pontage entièrement composés de chitosane.
Le chitosane, un polymère sucré facilement obtenu à partir des coquilles de chitine de crustacés, 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 l’altération dans la vinification, dans les revêtements de peinture auto-cicatrisants et dans la gestion des plaies médicales.
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Les films de chitosane ont permis une adhésion rapide et solide 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 les atomes (liaisons covalentes), induites par un léger changement de pH, les brins de sucre du chitosane absorbent rapidement l’eau résidant entre les couches d’hydrogel et s’entremêlent avec les brins de polymère des hydrogels, formant de multiples liaisons via des interactions électrostatiques et des liaisons hydrogène (liaisons non covalentes). Cela résulte en des forces adhésives entre les hydrogels qui dépassent significativement celles créées par les approches traditionnelles de liaison des hydrogels.
Premières applications prometteuses
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 Robustes modifiés avec des films de chitosane pouvaient désormais être facilement enroulés autour de formes cylindriques comme un doigt blessé en tant que bandages auto-adhésifs pour fournir des soins de plaie améliorés. Grâce à la forte teneur 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 des traitements alternatifs pour les brûlures à l’avenir.
Les chercheurs ont également enveloppé des hydrogels (gels robustes) dont les surfaces étaient modifiées avec des films minces de chitosane autour de tissus intestinaux, tendineux et 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 chirurgies, qui autrement peuvent former des ‘adhérences fibrotiques’ avec parfois des conséquences dévastatrices. Leur prévention est un besoin clinique non satisfait que les technologies commerciales ne peuvent pas encore adéquatement résoudre », a expliqué Freedman.
Enfin, dans une autre application, ils ont déposé un film mince de chitosane sur un gel robuste déjà placé sur une aorte de porc blessée ex vivo en tant que scellant de plaie pour augmenter la force globale du bandage, qui était exposé aux forces mécaniques cycliques du sang pulsant à travers le vaisseau.
Légende illustration principale : Cette illustration montre comment deux hydrogels (en bleu) peuvent être liés de différentes manières par de minces films de chitosane (en orange). Les liaisons qui se forment sont extraordinairement solides et peuvent résister à des tensions élevées. Crédit : Peter Allen, Ryan Allen et James C. Weaver.
Article : « Instant tough adhesion of polymer networks » – DOI: 10.1073/pnas.2304643121
Les autres auteurs de l’étude sont Juan Cintron Cruz, Mathew Lee et James Weaver au Wyss Institute et au SEAS, Phoebe Kwon, Haley Jeffers et Daniel Kent au SEAS, et Kyle Wu au Beth Israel Deaconess Medical Center à Boston. L’étude a été soutenue par l’Institut Wyss de l’Université de Harvard, le National Institute on Aging des National Institutes of Health (dans le cadre de la bourse K99/R00AG065495) et l’initiative Harvard GSAS Research Scholar.
