Des mélanges de POP (vert) et de PEL (bleu) peuvent être utilisés pour créer une variété de nouvelles architectures de microparticules, y compris (dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du coin supérieur gauche) des particules poreuses, réseaux « fruits sur vigne », particules creuses simples de type vésicule, et les réseaux core-shell. Crédit :Stefan Roberts, université de Duke
Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke ont mis au point une méthode de fabrication de petites particules sans danger pour les tissus vivants qui leur permettra de créer de nouvelles formes attrayantes pour l'administration de médicaments, diagnostic et ingénierie tissulaire.
Les résultats paraissent en ligne le 12 mars dans la revue Communication Nature .
"Avec rien de plus qu'un peu de chaleur et de lumière, on peut faire des microparticules assez bizarres, " a déclaré Stefan Roberts, chercheur en génie biomédical à Duke. "La technique est suffisamment simple pour qu'elle puisse être étendue pour fabriquer des milliards de microparticules en quelques minutes."
Dans le monde des microparticules biocompatibles, forme, Taille, la microstructure interne et le type de matériau dictent leurs propriétés intrinsèques. Bien que les entreprises et les laboratoires de recherche puissent déjà fabriquer de nombreuses microparticules complexes, le processus implique généralement des techniques de fabrication sophistiquées telles que la microfluidique à émulsions multiples ou la lithographie en flux. Les deux ont leurs inconvénients.
La microfluidique à émulsion multiple contrôle péniblement une série de gouttelettes d'huile individuelles, mais lutte pour garder les matériaux complètement séparés les uns des autres et ne peuvent pas être utilisés pour une production à grande échelle. La lithographie en flux fait briller la lumière à travers un masque à motifs pour graver des formes dans des matériaux mous et peut produire de nombreuses particules en peu de temps, mais le processus est difficile à adapter aux formes compliquées et aux architectures internes.
En collaboration avec Ashutosh Chilkoti, le professeur distingué Alan L. Kaganov de génie biomédical à Duke, Roberts s'est mis à essayer une toute nouvelle approche :les matériaux biologiques. La paire de recherche a une histoire de travail avec des polypeptides de type élastine (ELP), qui sont des protéines désordonnées qui, un peu comme une boule de spaghetti, tirent leur stabilité du chaos et n'ont pas de véritable forme. Plus récemment, l'équipe a commencé à travailler avec des protéines partiellement ordonnées (POP), qui conservent de nombreuses propriétés biologiquement utiles des PEL mais ont suffisamment de segments ordonnés pour fournir plus de stabilité que les nouilles humides.
Gros plan sur une seule microparticule poreuse de POP à partir d'un microscope électronique à balayage. Crédit :Stefan Roberts, université de Duke
Les deux types de protéines peuvent être conçus pour passer d'un état de phase à l'autre à certaines températures. Bien qu'il s'agisse d'une fonctionnalité utile pour des applications telles que la libération lente de médicaments dans le corps ou le soutien de la croissance des tissus dans les plaies, les chercheurs ont rapidement découvert qu'ils pouvaient également créer diverses formes de particules en assemblant des PEL et des POP.
"Les protéines désordonnées sont un sujet brûlant en biologie, avec de nombreux chercheurs essayant de découvrir comment des protéines sans forme peuvent encore avoir un but biologique, " a déclaré Roberts. " Un courant sous-jacent de notre travail consiste plutôt à penser à ces protéines comme le ferait un scientifique des matériaux et à voir si nous pouvons les concevoir pour nos propres fonctions biologiques d'une manière qui ne peut pas être réalisée avec les matériaux actuels. "
Dans le journal, Roberts et Chilkoti présentent de nouvelles microparticules fabriquées avec ces deux types de protéines. En ajustant les températures auxquelles ils se montent et se démontent, et balayant d'avant en arrière une plage de températures à différentes vitesses, les chercheurs montrent qu'ils sont capables de créer une suite de formes telles qu'une coque avec un noyau solide, une coquille sans noyau, et un enchevêtrement de cordes parsemées de coquillages qu'ils ont surnommés "fruits sur une vigne". Puis, en incorporant des acides aminés photosensibles, ils montrent qu'ils peuvent congeler ces formes en microparticules solides avec un éclair de lumière.
Les chercheurs affirment que la possibilité de créer des microparticules avec des régions séparées avec précision est pertinente pour des applications telles que l'administration de médicaments et l'ingénierie tissulaire.
Chaque ensemble de paramètres crée simultanément des millions de solides, microparticules biocompatibles légèrement plus grosses qu'une cellule moyenne. Cela ne prend que quelques minutes, et tout se passe dans un volume de liquide de la taille d'une goutte d'eau.
"Il s'agit d'un cas de test pour un type de matériau suffisamment flexible et simple pour créer à la fois des formes et des architectures couramment utilisées qui ne sont pas vues avec les techniques actuelles, " a déclaré Roberts. "Nous utilisons de nouveaux matériaux biocompatibles pour créer des formes inédites simplement en chauffant, les refroidissant et les éclairant."
