Les tissus porteurs tels que les muscles et les cartilages présentent généralement une élasticité élevée, ténacité et taux de récupération rapide. Cependant, combiner de telles propriétés mécaniques en laboratoire pour construire des biomatériaux synthétiques est fondamentalement un défi. Dans une nouvelle étude maintenant publiée sur Avancées scientifiques , Wenxu Sun et une équipe de recherche en physique, mécanique d'ingénierie et appareils intelligents en Chine, développé une forte, hydrogel résistant et à récupération rapide. L'équipe a conçu le matériau en utilisant des agents de réticulation avec des interactions dynamiques coopératives. Ils ont conçu un décapeptide riche en histidine (chaîne d'acides aminés 10) contenant deux motifs de liaison en tandem (consécutifs) au zinc (Zn) pour faciliter la stabilité thermodynamique, force de liaison plus forte et taux de liaison plus rapide de la construction, par rapport à des motifs protéiques de liaison simples ou à des protéines ligands isolées. Les hydrogels de réseau hybride modifiés avec le complexe peptide zinc présentaient une stabilité élevée, ténacité et récupération rapide en quelques secondes. L'équipe de recherche s'attend à ce que les échafaudages gèrent efficacement les applications d'ingénierie tissulaire porteuses et fonctionnent comme des blocs de construction pour la robotique douce. Les nouveaux résultats fournissent une voie générale pour régler les propriétés mécaniques et dynamiques des hydrogels au niveau moléculaire.

Quand on marche, nos muscles, le cartilage et les tendons sont soumis à des charges mécaniques importantes, mais les tissus biologiques peuvent récupérer rapidement pour fonctionner de manière fiable pendant de nombreux cycles mécaniques. Les bioingénieurs ont exploré les hydrogels mous dotés de propriétés mécaniques semblables à des muscles en tant qu'actionneurs biomécaniques, cartilage synthétique, muscle artificiel, peau ionique et en robotique douce. Ils ont consacré de nombreux efforts pour améliorer la résistance mécanique et la ténacité des hydrogels en introduisant des mécanismes spéciaux de dissipation d'énergie. La récupération rapide est également une caractéristique unique des tissus mous porteurs, outre la résistance mécanique et la ténacité, mais les hydrogels synthétiques n'ont toujours pas de mécanisme de récupération rapide. Par exemple, les hydrogels traditionnels à double réseau (DN) ou à réseau hybride (HN) avec de courtes chaînes polymères, car les réseaux sacrificiels ne peuvent généralement pas récupérer rapidement, ce qui prend souvent de quelques minutes à plusieurs jours.

La résistance d'un hydrogel dépend de la durée de vie de ses agents de réticulation, où des cinétiques de liaison/déliaison lentes conduisent à des hydrogels puissants, tandis que les taux de change rapides donnent des taux faibles. Pour obtenir une résistance et une ténacité élevées, les agents de réticulation doivent être lents, mais pour obtenir une récupération rapide, les agents de réticulation doivent être dynamiques avec des taux élevés d'association et de dissociation. Pour surmonter cette contradiction, les matériaux porteurs naturels ont utilisé la coopérativité des interactions faibles. Dans ce travail, Soleil et al. des hydrogels de réseau hybride (HN) de conception similaire avec un complexe peptide-métal spécialement conçu comme agent de réticulation physique. L'équipe a formé des sites de liaison métalliques efficaces dans une séquence peptidique pour concevoir des hydrogels dotés des caractéristiques requises.

L'équipe a d'abord conçu trois courts peptides riches en histidine (HR-peptides) comme ligands pour se lier aux ions zinc (Zn ²⁺ ) et construire des hydrogels HN. Ils ont noté les séquences peptidiques comme PH 1 , PH 3 et PH 6 en fonction du nombre d'histidines liées. Soleil et al. synthétisé les peptides en utilisant la synthèse peptidique en phase solide et les a purifiés par chromatographie liquide à haute performance. Ils ont observé la formation de Zn ²⁺ complexes de coordination d'histidine utilisant la spectroscopie ultraviolette (UV) et Raman. La séquence peptidique spécialement conçue a permis un Zn synergique et coopératif ²⁺ Affinité de liaison, par rapport aux peptides avec des résidus histidine aléatoires sur leurs séquences. Les scientifiques ont étudié le mécanisme moléculaire de la liaison coopérative des ions zinc au PH 6 en utilisant le dichroïsme circulaire, les résultats suggèrent des changements conformes du premier site de coordination de PH 6 critique pour la liaison coopérative et a montré comment les changements structurels ont favorisé le Zn supplémentaire ²⁺ obligatoire.

Soleil et al. utilisé des techniques avancées telles que la spectroscopie de force à molécule unique (SMF) basée sur la microscopie à force atomique (AFM) pour mesurer la stabilité mécanique du peptide HR-Zn ²⁺ complexes, c'est-à-dire des agents de réticulation de l'hydrogel au niveau moléculaire. Les forces de rupture moyennes étaient beaucoup plus élevées pour PH 6 par rapport à d'autres types d'hydrogels, confirmant la ténacité de l'hydrogel. Les résultats ont montré que la stabilité mécanique des complexes métal-ligand pouvait être considérablement améliorée en fonction des sites de liaison.

The team explored if changes to the intrinsic properties of crosslinkers could alter macroscopic mechanical properties of the hydrogel by preparing a series of hybrid network (HN) hydrogels. They used HR-peptide-Zn ²⁺ as sacrificial crosslinkers and covalent bonds as permanent crosslinkers in the constructs and named the resulting hydrogels as HN-PH 1 , HN-PH 3 , and HN-PH 6 , based on the peptide sequence used. The network structures were similar in all three hydrogels but the HN-PH 6 gel was more compressible compared to the others, while functioning effectively under stressful mechanical environments. De façon intéressante, the scientists could even twist the HN-PH 6 hydrogel into a spiral shape and compress the material with a sharp blade without causing it permanent damage.

The team conducted tensile mechanical tests on the gels and correlated the results on the bulk level with those at the molecular level, to show remarkably higher break strain, Young's modulus and toughness for the HN-PH 6 gels. Sun et al. then examined the recovery property of the material based on loading-unloading cycles and found HN-PH 6 gels to almost totally recover its macroscopic mechanical properties in minutes. Cependant, if they cut up the HN-PH 6 gels into pieces, the hydrogel could not self-heal since covalent crosslinkers do not reform after fracture. To understand the experimental outcomes, the research team also conducted theoretical analyses and proposed cooperative zinc binding on PH 6 to be an important factor, among other factors to form strong and tough hydrogels with fast recovery rates.

De cette façon, Wenxu Sun and colleagues developed a novel hydrogel material, bioinspired by histidine residues found in natural load-bearing materials. Combining such outstanding mechanical properties in the lab has remained a challenge due to the inability to effectively harness the unique metal ion binding properties that are encoded in natural proteins. Dans ce travail, Sun et al. used bioinspired Zn ²⁺ -binding peptide as crosslinkers to form the desired hydrogels at the molecular level, highlighting the importance of cooperative metal coordination during materials synthesis. They intend to examine additional mechanical features, such as adhesion to other tissues, before conducting practical applications in tissue engineering.

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