Les chercheurs cherchant à développer des hydrogels auto-cicatrisants ont longtemps cherché à imiter la capacité naturelle des moules à générer de fortes, fils flexibles sous l'eau qui permettent aux moules de coller aux rochers.

Le processus naturel qui donne ces fils de moules, qu'on appelle byssaux, la capacité de se séparer et de se reformer est un processus purement chimique, pas biologique, L'étudiant diplômé du MIT, Seth Cazzell, a noté lors d'une présentation à la réunion d'automne de la Materials Research Society à Boston le 5 décembre.

L'étape critique du processus est la liaison chimique des chaînes polymères à un atome de métal (une liaison protéine-métal dans le cas de la moule). Ces liaisons sont appelées liaisons de coordination métalliques réticulées. Leur plus grande force se produit lorsque chaque atome de métal se lie à trois chaînes polymères, et ils forment un réseau qui se traduit par un hydrogel fort.

Dans une publication récemment PNAS papier, Cazzell et le professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux Niels Holten-Andersen ont démontré une méthode pour créer un hydrogel auto-cicatrisant dans une plus large gamme de concentrations de métaux grâce à l'utilisation d'une compétition contrôlée par le pH, ou l'acidité et l'alcalinité, de l'environnement. Cazzell est un ancien boursier diplômé en sciences et en génie de la Défense nationale.

Dans leur système de calcul modèle, Cazzell a montré qu'en l'absence de compétition à pH contrôlé, excès de métal - généralement du fer, aluminium, ou nickel - surpasse la capacité du polymère à former de fortes réticulations. En présence de trop de métal, les polymères se lieront seuls aux atomes métalliques au lieu de former des complexes réticulés, et le matériau reste un liquide.

Le catéchol est un ligand de coordination métallique inspiré des moules couramment étudié. Dans cette étude, un catéchol modifié, nitrocatéchol, était attaché au polyéthylène glycol. En étudiant le système nitrocatéchol coordonné au fer, ainsi qu'un second système d'hydrogel modèle (histidine coordonnée au nickel), Cazzell a confirmé expérimentalement que la formation de fortes réticulations pouvait être induite sous des concentrations excessives de métaux, soutenant leur preuve informatique du rôle compétitif des ions hydroxyde (paires hydrogène-oxygène chargées négativement), qui agissent comme un concurrent du polymère pour se lier au métal.

Dans ces solutions, les polymères peuvent se lier aux atomes métalliques dans les uns, deux, ou trois. Lorsque plus d'atomes métalliques se lient aux ions hydroxyde, il y a moins d'atomes de métal disponibles pour se lier aux atomes de polymère, ce qui augmente la probabilité que les atomes de polymère se lient aux atomes de métal dans de fortes réticulations triples qui produisent le gel de type mastic souhaité.

"Ce que nous aimons vraiment dans cette étude, c'est que nous ne regardons pas directement la biologie, mais nous pensons que cela nous donne une belle preuve de quelque chose qui pourrait se produire en biologie. C'est donc un exemple de science des matériaux informant de ce que nous pensons que l'organisme utilise réellement pour construire ces matériaux, " dit Cazzell.

Dans les simulations, Cazzell a tracé l'effet du compétiteur hydroxyde sur la forte formation d'hydrogel et a constaté qu'à mesure que la force du compétiteur augmente, "nous pouvons entrer dans une gamme où nous pouvons former un gel presque n'importe où." Mais, il dit, "Finalement, le concurrent devient trop fort, et vous perdez la capacité de former un gel."

Ces résultats pourraient être utilisés dans l'impression 3D avancée de tissus synthétiques et d'autres applications biomédicales.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.