Pour la première fois, une famille d'hydrogels a été créée, avec des propriétés uniques qui leur permettent d'être utilisées dans des applications biologiques. L'oeuvre, récemment publié dans Polymer, pourrait annoncer l'introduction d'une nouvelle classe d'encres biologiques ou de véhicules d'administration de médicaments.

Les hydrogels sont des réseaux de chaînes macromoléculaires réticulées qui ont une structure très poreuse leur permettant de se gonfler d'eau. Ce sont des structures molles aux propriétés viscoélastiques souvent complexes qui peuvent être affinées en adaptant leurs composants chimiques et leur densité de réticulation. De cette façon, ils peuvent être adaptés pour détecter et s'adapter aux changements de leur environnement, comme la température, pH, pression, léger, ou même la présence d'autres produits chimiques.

Une famille bien connue d'hydrogels à base de copolymères de poly(oxyde d'éthylène) (PEO) a été combinée avec un polymère mécaniquement robuste connu sous le nom de Nafion. Les propriétés des nouveaux complexes polymères ont été révélées par une multitude de techniques, y compris la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) sur la ligne de faisceaux de diffusion et de diffraction aux petits angles (I22) à la source lumineuse Diamond. Il a été démontré que l'ajout de Nafion améliore considérablement les propriétés mécaniques des hydrogels, ce qui en fait un candidat prometteur pour une variété d'applications telles que les systèmes de libération de médicaments et la bio-impression 3-D.

Hydrogels injectables

L'une des applications les plus fascinantes des hydrogels est dans le domaine de la libération de médicaments. Les hydrogels peuvent être ingénieusement réglés pour changer leur phase d'un liquide injectable en un gel dans le corps, qui se dissout progressivement pour libérer lentement un médicament piégé. Les avantages de cette technologie sont considérables pour les patients et les professionnels de la santé. Typiquement, les hydrogels injectables sont basés sur des copolymères PEO car ils sont bien caractérisés et ont une transition de phase définie vers un gel à température corporelle. Cependant, ces hydrogels ont des propriétés mécaniques faibles et libèrent des médicaments rapidement.

Pour combler les lacunes de la vague actuelle d'injectables, une équipe de scientifiques de l'Université de Central Lancashire, les a combinés avec un polymère mécaniquement stable connu sous le nom de Nafion. Ce polymère a été découvert à la fin des années 1960 et possède un ensemble unique de propriétés qui ont conduit à son utilisation comme membrane échangeuse de protons pour les piles à combustible. Depuis que son caractère biocompatible et non toxique a été récemment révélé, Nafion a également été utilisé pour des applications biomédicales telles que les revêtements d'implants et les biocapteurs.

Mélanges de Nafion

L'équipe a préparé des mélanges de Nafion avec deux copolymères différents :E 19 P 69 E 19 et B 20 E 510 (où E était OCH 2 CH 2 , P était OCH 2 CH(CH 3 ) et B était OCH 2 CH(C 2 H 5 )). Le nafion s'est fortement lié aux deux copolymères, comme le montrent diverses techniques. En plus de la microbalance à cristal de quartz avec contrôle de la dissipation (QCM-D), les hydrogels hybrides ont été soumis à une diffusion dynamique de la lumière, rhéologie, et SAXS. Dr Antonios Kelarakis, chercheur principal à l'Université de Central Lancashire, et chercheur principal de l'étude ont expliqué leur approche :« Nous ne voulions pas compromettre l'injectabilité des polymères avec l'ajout de Nafion, donc une fois que nous avons su que les hydrogels hybrides avaient les fortes propriétés mécaniques dont nous avions besoin, nous avons utilisé SAXS pour explorer leur structure."

A I22, les mélanges d'hydrogel ont été montés entre des fenêtres de mica dans une cellule à liquide équipée d'un bain-marie pour le contrôle de la température. Les modèles SAXS bidimensionnels ont été collectés à l'aide d'un détecteur de zone Pilatus P3-2M et tous les modèles ont été corrigés pour les fluctuations du faisceau incident ainsi que la diffusion de l'air et de l'instrument avant la conversion en profils unidimensionnels.

Propriétés améliorées

Il a été démontré que l'ajout de Nafion améliore la viscoélasticité des copolymères existants, améliorant ainsi leur résistance mécanique. De plus, les mélanges ont également subi des transitions sol-gel nettes et thermiquement réversibles en dessous de la température corporelle, indiquant qu'ils ont conservé leur capacité injectable. Les systèmes ont également été testés pour leur capacité à libérer de l'ibuprofène, et il a été démontré que Nafion réduisait considérablement la libération du médicament; un effet supposé être conféré par une porosité plus faible ou des interactions matrice-médicament plus fortes. Le Dr Kelarakis a développé ces découvertes, « En plus d'un véhicule pour les médicaments, ce complexe polymère pourrait être utilisé comme bio-encre pour l'impression 3D car il se transforme facilement d'un liquide en gel. Il existe peu de matériaux actuellement disponibles pour cette technique, mais nous avons montré que nous pouvons fabriquer un matériau prometteur qui peut résister à beaucoup de stress."

La prochaine étape de cette recherche fascinante est une enquête complète sur l'évolution du complexe d'hydrogel pendant le stress, qui sera réalisé in situ à l'aide d'un rhéomètre sur I22. L'équipe a pour objectif d'explorer les effets du Nafion sur d'autres polymères et a également l'intention d'introduire des nanoparticules dans les hydrogels, afin qu'ils puissent être utilisés pour la bio-imagerie. L'espoir est que les molécules d'imagerie puissent être lentement libérées dans le corps à proximité du site d'intérêt (comme une plaie) pour éclairer des composants physiologiques sélectionnés.