imprimé en 3D, les organes transplantables peuvent ressembler à de la science-fiction, mais, grâce aux avancées de la chimie des polymères, ils pourraient devenir une réalité. Les hydrogels sensibles aux stimuli représentent une large classe de matériaux mous qui modifient leurs propriétés mécaniques lorsque certains déclencheurs externes sont appliqués. L'année dernière, des chercheurs du laboratoire de Jonathan Barnes, professeur assistant de chimie, a créé un nouveau type de muscle moléculaire artificiel à partir d'un polymère qui change de couleur et se contracte lorsqu'il est exposé à la lumière bleue. Des matériaux similaires promettent un large éventail d'applications, notamment en médecine.

Barnes a commencé à travailler sur les hydrogels parce qu'il voulait développer un matériau qui pourrait changer de forme, Taille, et les propriétés mécaniques lorsqu'elles sont actionnées, tout comme nos muscles le font lorsqu'ils se dilatent et se contractent. "Beaucoup de gens ont dit que nous n'obtiendrions jamais le degré de contraction que nous espérions, " se souvient Barnes, "mais cela a en fait mieux fonctionné que nous ne l'avions jamais imaginé."

Dans "Photopatterning hydrogel réversible :contrôle spatial et temporel des propriétés mécaniques du gel à l'aide de la catalyse photoredox à la lumière visible, " publié le 17 juin dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS , Le laboratoire de Barnes a présenté un nouveau type de polymère réactif qui s'appuie sur le succès de l'étude précédente. Le nouveau travail de l'équipe s'est concentré sur le développement de soft, des matériaux biocompatibles pouvant supporter de lourdes charges - des matériaux qui, en fin de compte, peuvent être particulièrement adaptés à des usages médicaux comme les prothèses ou les organes transplantables.

Fahim Amir, auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Barnes, affirme que ce type d'étude comble une lacune actuelle de la technologie. "Les cellules des systèmes vivants sont confrontées à un environnement 3-D, pourtant la plupart des études qui sont faites sur les cellules sont faites sur des matériaux 2-D, " expliqua-t-il. Des hydrogels forts, pourtant doux et élastique, peut fournir un moyen pour des scientifiques comme Amir d'introduire des cellules dans un système 3-D et de voir comment les cellules se comportent dans différentes conditions.

L'équipe a repensé la chimie derrière les réactions de leur polymère pour créer de nouveaux hydrogels à l'aide d'un polymère biocompatible. Le matériau de base, actuellement utilisé dans les lentilles de contact, permet une plus grande élasticité et peut à son tour mieux prendre en charge les réseaux cellulaires 3D.

Depuis leur premier succès, l'équipe a travaillé pour améliorer la vitesse de la réaction et sa méthode d'activation. Les hydrogels antérieurs nécessitaient une immersion dans une solution chimique réductrice, mais le nouveau matériau de l'équipe répond à la lumière visible grâce à l'inclusion d'un photocatalyseur dans le réseau d'hydrogel. Ce domaine chaud de la chimie est connu sous le nom de catalyse photoredox, et cela a considérablement augmenté la facilité d'utilisation des hydrogels du laboratoire Barnes.

"Nous utilisons le photocatalyseur pour absorber la lumière et transférer un électron à notre polymère, qui actionne le matériau. Dès que nous éteignons la lumière et que le matériau est exposé à l'oxygène de l'air ambiant, il inverse le processus, " expliqua Barnes. " C'est un peu comme une éponge. Quand nous repoussons toute l'eau, c'est plus petit, mais ensuite, quand vous le remettez dans l'eau, ça va gonfler. C'est le même genre de processus que dans le naturel, systèmes mécaniques, comme des muscles."

Une fois que l'équipe a su que le processus fonctionnerait en utilisant la lumière visible, ils ont voulu affiner leur application en éclairant et en activant uniquement des endroits très précis dans le gel, Pas tout cela. C'est l'objet de cette étude :le nouvel hydrogel peut-il non seulement agir comme il l'a fait dans les itérations précédentes, mais aussi le faire avec précision ?

Amir a signalé des succès dans plusieurs domaines. "Le processus a entraîné des augmentations significatives de la rigidité du matériau souple, résistance à la traction, et pourcentage d'allongement avant rupture, tout cela pourrait facilement être inversé par oxydation et gonflement dans l'eau, ", a-t-il déclaré. Les hydrogels ont également permis une résolution spatiale précise et un contrôle sur l'endroit où les activations ont eu lieu, que l'équipe a illustré en dessinant un motif de drapeau américain.

Maintenant que les chercheurs du laboratoire de Barnes ont un contrôle spatial sur l'activation de l'hydrogel, ils peuvent se tourner vers son optimisation pour des applications biomédicales en collaboration avec la Washington University School of Medicine (WUSM). "Nous en savons suffisamment sur la structure de base des organes pour pouvoir en principe les imprimer en 3D, mais nous manquons de matériel, " dit Barnes.

Les chercheurs du laboratoire de Barnes se concentreront ensuite sur la démonstration que leurs hydrogels sont suffisamment durables pour prendre en charge des applications avec des cellules en suspension dans une matrice 3D. Être capable d'activer des zones spécifiques en trois dimensions est une étape clé vers la croissance réussie de tissus dans une culture cellulaire en 3D. D'autres améliorations apportées au matériau incluront son activation avec d'autres longueurs d'onde de lumière, comme l'infrarouge, qui permettrait une activation non invasive à travers les tissus humains. Le but ultime serait de créer un injectable, Hydrogel personnalisé imprimable en 3D - une "bio-encre" personnalisée construite à partir du propre tissu d'un patient - qui pourrait être activé sélectivement à travers la peau, juste en l'éclairant. Cela permettrait des applications hautement spécialisées dans le corps.

"Avancer, nous avons développé une collaboration avec le Dr Moe Mahjoub de WUSM où nous étudions les effets de l'actionnement photo-induit sur le comportement cellulaire, " a déclaré Amir. Les collaborateurs espèrent que leurs hydrogels actionnés seront capables d'imiter les tissus humains, créer une plate-forme générale pour une utilisation dans d'innombrables applications. La polyvalence de la technologie clé de l'équipe, leur réticulant polymérisable, soutient cet objectif :les chercheurs peuvent combiner leur agent de réticulation avec n'importe quel monomère pour créer des polymères personnalisés avec des caractéristiques et des propriétés mécaniques soigneusement réglées.

"Nous avons pris cette idée que personne ne pensait que cela fonctionnerait au point où nous montrons en fait une pertinence biomédicale avec ces matériaux. Cela va bien au-delà de la chimie fondamentale, et même au-delà de WashU, construire des collaborations partout au pays et même dans le monde, " a déclaré Barnes. Cette recherche a été présentée lors de la réunion de l'American Chemical Society (ACS) en avril dernier. Regardez la présentation complète de Barnes, "Un matériau semblable à un muscle se dilate et se contracte en réponse à la lumière, " de l'ACS Orlando 2019.