Démonstrations expérimentales de la formation d'une feuille en forme de selle par polymérisation différentielle par diffusion d'oxygène de gels de polyacrylamide. Crédit :K. Jimmy Hsia
Alors que nous savons ce qu'est une feuille d'arbre, un pétale de fleur, et un coeur humain ressemble, nous ne comprenons pas toujours la question plus profonde de savoir comment ils poussent comme ils le font – un processus connu sous le nom de morphogenèse. Chercheurs de l'Université Carnegie Mellon et de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) a développé une nouvelle technique de production de gels synthétiques qui peut nous donner un indice.
Dans la nature, la morphogenèse des tissus organiques se produit par la croissance de diverses parties à des rythmes différents, souvent contrôlé par la concentration de facteurs de croissance. Une équipe de recherche à Carnegie Mellon, dont K. Jimmy Hsia, Changjin Huang, David Quinn, et Subra Suresh (ancien président de Carnegie Mellon et président désigné de NTU), utiliser la polymérisation inhibée par l'oxygène pour développer des structures 3-D complexes de gels de polyacrylamide (PA), imitant les processus naturels. Ils ont trouvé un moyen de contrôler la concentration d'oxygène dans l'environnement de croissance et, avec des contraintes mécaniques, permettre aux gels de s'auto-assembler en formes complexes dans un processus qui peut aider à expliquer comment nos propres organes et tissus prennent forme. Les conclusions de l'équipe ont été récemment publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
La nouvelle technique diffère des méthodes d'ingénierie précédentes, qui créent des structures 3-D en ajoutant ou en soustrayant des couches de matériaux. Cette technique repose sur la polymérisation en continu de monomères à l'intérieur de l'hydrogel poreux, similaire au processus d'agrandissement et de prolifération des cellules vivantes dans les tissus organiques.
Démonstrations expérimentales de la formation d'une feuille en forme de selle par polymérisation différentielle par diffusion d'oxygène de gels de polyacrylamide. Crédit :K. Jimmy Hsia
"La technique fournit un outil potentiellement puissant aux chercheurs pour étudier les phénomènes de croissance dans les systèmes vivants, " dit Hsia, professeur de génie mécanique et de génie biomédical, et également vice-recteur aux programmes internationaux et à la stratégie chez Carnegie Mellon.
L'équipe de Hsia est la première à utiliser ce procédé pour contrôler la croissance du gel et créer des formes complexes grâce à l'auto-assemblage moléculaire dans des gels PA.
"Avec la capacité de contrôler la croissance et l'auto-assemblage d'hydrogels dans des structures complexes, " dit Suresh, « les chercheurs pourraient un jour générer des organes et des tissus synthétiques pour remplacer les tissus biologiques malades et endommagés ».
Création d'une structure en 3D en forme de pot de fleurs par auto-assemblage moléculaire de gels mous avec contraintes mécaniques. Crédit :K. Jimmy Hsia
Les chercheurs peuvent utiliser ce processus pour former différentes formes et architectures 3D d'hydrogel pour l'ingénierie tissulaire, robotique douce, et électronique flexible.
Le projet a été financé par une subvention de l'Institut national de la santé et de l'Université Carnegie Mellon. Carnegie Mellon et NTU ont déposé un brevet sur cette méthode.
