L'hydrogel conducteur d'électricité pourrait être utilisé pour des implants qui pourraient libérer des substances actives médicales de manière contrôlée pour traiter certaines maladies du cerveau. Crédit :Christine Arndt
En raison de leurs propriétés mécaniques semblables à celles des tissus, les hydrogels sont de plus en plus utilisés pour des applications biomédicales; un exemple bien connu sont les lentilles de contact souples. Ces polymères de type gel se composent de 90 pour cent d'eau, sont élastiques et particulièrement biocompatibles. Les hydrogels également conducteurs de l'électricité permettent des domaines d'application supplémentaires, par exemple dans la transmission de signaux électriques dans le corps ou en tant que capteurs. Une équipe de recherche interdisciplinaire du Research Training Group (RTG) 2154 "Materials for Brain" de l'Université de Kiel (CAU) a maintenant développé une méthode pour produire des hydrogels avec un excellent niveau de conductivité électrique. Ce qui rend cette méthode spéciale, c'est que les propriétés mécaniques des hydrogels sont largement conservées. De cette façon, ils pourraient être particulièrement bien adaptés, par exemple, comme matériau pour implants fonctionnels médicaux, qui sont utilisés pour traiter certaines maladies du cerveau. Les conclusions du groupe ont été publiées le 16 mars 2021 dans la prestigieuse revue Lettres nano .
« L'élasticité des hydrogels peut être adaptée à différents types de tissus de l'organisme et même à la consistance du tissu cérébral. C'est pourquoi nous nous intéressons particulièrement à ces hydrogels comme matériaux d'implant, " explique Margarethe Hauck, scientifique en matériaux, un chercheur doctorant au RTG 2154 et l'un des principaux auteurs de l'étude. En tant que tel, la collaboration interdisciplinaire des matériaux et des scientifiques médicaux se concentre sur le développement de nouveaux matériaux pour les implants, par exemple pour la libération de substances actives pour traiter les maladies du cerveau telles que l'épilepsie, tumeurs ou anévrismes. Des hydrogels conducteurs pourraient être utilisés pour contrôler la libération de substances actives afin de traiter localement de manière plus ciblée certaines maladies.
Afin de produire des hydrogels électriquement conducteurs, les hydrogels conventionnels sont généralement mélangés à des nanomatériaux conducteurs de courant constitués de métaux ou de carbone, tels que les nanofils d'or, du graphène ou des nanotubes de carbone. Pour atteindre un bon niveau de conductivité, une forte concentration de nanomatériaux est souvent requise. Cependant, cela altère les propriétés mécaniques d'origine des hydrogels, comme leur élasticité, et impacte ainsi leur interaction avec les cellules environnantes. « Les cellules sont particulièrement sensibles à la nature de leur environnement. Elles se sentent plus à l'aise avec les matériaux qui les entourent dont les propriétés correspondent le plus possible à leur environnement naturel dans le corps, " explique Christine Arndt, doctorant à l'Institut des sciences des matériaux de l'Université de Kiel et également auteur principal de l'étude.
L'hydrogel est strié de microcanaux ultralégers, graphène électriquement conducteur. Crédit :Irène Wacker
La méthode de production nécessite moins de graphène que les approches précédentes
En étroite collaboration avec différents groupes de travail, l'équipe de recherche a maintenant pu développer un hydrogel qui présente une combinaison idéale :il n'est pas seulement électriquement conducteur, mais conserve également son niveau d'élasticité d'origine. Pour la conductivité, les scientifiques ont utilisé du graphène, un matériau qui a déjà été utilisé dans d'autres approches de production. "Le graphène a des propriétés électriques et mécaniques exceptionnelles et est également très léger, " dit le Dr Fabian Schütt, chef de groupe junior au sein du groupe de formation à la recherche, soulignant ainsi les avantages du matériau ultra-mince, qui se compose d'une seule couche d'atomes de carbone. Ce qui rend cette nouvelle méthode différente, c'est la quantité de graphène utilisée. « Nous utilisons beaucoup moins de graphène que les études précédentes, et comme résultat, les propriétés clés de l'hydrogel sont conservées, " dit Schütt à propos de l'étude actuelle, qu'il a initié.
Pour atteindre cet objectif, les scientifiques ont enduit une fine structure de charpente de microparticules de céramique avec des flocons de graphène. Ensuite, ils ont ajouté l'hydrogel polyacrylamide, qui entourait la charpente, qui a finalement été gravé. La fine couche de graphène dans l'hydrogel n'est pas affectée par ce processus. L'hydrogel entier est maintenant strié de microcanaux recouverts de graphène, semblable à un système nerveux artificiel.
Des images 3D spéciales du Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) démontrent la conductivité hautement électronique du système de canaux :« En raison d'une multitude de connexions entre les tubes de graphène individuels, les signaux électriques trouvent toujours leur chemin à travers le matériau et le rendent extrêmement fiable, " dit le Dr Berit Zeller-Plumhoff, Chef du département d'imagerie et de science des données à HZG et membre associé du RTG. À l'aide de rayons X à haute intensité, le mathématicien a pris les images dans un court laps de temps sur la ligne de lumière d'imagerie exploitée par le HZG à l'anneau de stockage PETRA III du Deutsche Elektronensynchrotron DESY. Et le réseau tridimensionnel a encore un autre avantage :son extensibilité lui permet de s'adapter de manière relativement flexible à son environnement.
Chaque couleur indique un microcanal connecté :l'image de tomographie par micro-ordinateur montre clairement à quel point les canaux individuels sont interconnectés - et donc à quel point les signaux électriques peuvent circuler de manière fiable à travers l'ensemble du matériau. Crédit :Berit Zeller-Plumhoff / HZG
Autres domaines d'application en biomédecine et robotique douce
"Avec les collaborations entre les différents groupes de travail, le RTG offre des conditions idéales pour les questions de recherche biomédicale qui nécessitent une approche interdisciplinaire, " dit Christine Selhuber-Unkel, premier porte-parole du RTG et maintenant professeur d'ingénierie des systèmes moléculaires à l'Université de Heidelberg. "Il s'agit d'un domaine de recherche complexe car il combine à la fois la science des matériaux et la médecine et est susceptible de se développer énormément au cours des prochaines années, alors que la demande nationale et internationale de spécialistes qualifiés va augmenter - et c'est à cela que nous voulons préparer au mieux nos doctorants, " ajoute son successeur Rainer Adelung, Professeur de nanomatériaux fonctionnels à l'Université de Kiel et porte-parole du RTG depuis 2020.
À l'avenir, diverses applications supplémentaires du nouvel hydrogel conducteur sont possibles :Margarethe Hauck envisage de développer un hydrogel qui réagit aux petits changements de température et pourrait libérer des substances actives dans le cerveau de manière contrôlée. Christine Arndt travaille sur la façon dont les hydrogels conducteurs d'électricité peuvent être utilisés comme robots biohybrides. La force que les cellules exercent sur leur environnement pourrait être utilisée ici pour piloter des systèmes robotiques miniaturisés.
