Les chercheurs produisent de l’hydrogel extrêmement conducteur pour les applications médicales

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 est celui des lentilles de contact souples. Ces polymères gélatineux sont constitués à 90% d’eau, sont élastiques et particulièrement biocompatibles. Les hydrogels également électriquement conducteurs 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 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 manière, ils pourraient être particulièrement bien adaptés, par exemple, comme matériau pour des implants fonctionnels médicaux, qui sont utilisés pour traiter certaines maladies du cerveau. Les résultats du groupe sont maintenant publiés dans la revue Nano Lettres.

«L’élasticité des hydrogels peut être adaptée à différents types de tissus du corps et même à la consistance des tissus cérébraux. C’est pourquoi nous nous intéressons particulièrement à ces hydrogels en tant que matériaux d’implants», explique la scientifique des matériaux Margarethe Hauck, doctorante en RTG 2154 et l’un des principaux auteurs de l’étude. A ce titre, la collaboration interdisciplinaire de matériaux et de scientifiques médicaux se concentre sur le développement de nouveaux matériaux pour implants, par exemple pour la libération de substances actives pour traiter des maladies cérébrales telles que l’épilepsie, les tumeurs ou les anévrismes. Des hydrogels conducteurs pourraient être utilisés pour contrôler la libération de substances actives afin de traiter localement certaines maladies de manière plus ciblée.

Afin de produire des hydrogels électriquement conducteurs, les hydrogels conventionnels sont généralement mélangés avec des nanomatériaux conducteurs de courant qui sont constitués de métaux ou de carbone, tels que des nanofils d’or, du graphène ou des nanotubes de carbone. Pour atteindre un bon niveau de conductivité, une concentration élevée de nanomatériaux est souvent requise. Cependant, cela altère les propriétés mécaniques d’origine des hydrogels, telles que 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, doctorante à l’Institut des sciences des matériaux à Université de Kiel et également auteur principal de l’étude.

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 pu développer un hydrogel qui possède une combinaison idéale: il est non 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 possède des propriétés électriques et mécaniques exceptionnelles et est également très léger», déclare le Dr Fabian Schütt, chef de groupe junior du Research Training Group, soulignant ainsi les avantages du matériau ultra-fin, qui ne se compose que 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, par conséquent, les propriétés clés de l’hydrogel sont conservées», déclare Schütt à propos de l’étude en cours, qu’il a lancée.

Afin d’atteindre cet objectif, les scientifiques ont enduit finement une structure à ossature fine de microparticules céramiques avec des paillettes de graphène. Ensuite, ils ont ajouté l’hydrogel polyacrylamide, qui renfermait la structure de la charpente, qui a finalement été décapée. Le mince revêtement de graphène dans l’hydrogel n’est pas affecté par ce processus. L’hydrogel entier est maintenant strié de microcanaux revêtus de graphène, semblables 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 différents tubes de graphène, les signaux électriques trouvent toujours leur chemin à travers le matériau et le rendent extrêmement fiable » , déclare le Dr Berit Zeller-Plumhoff, chef du département d’imagerie et de science des données chez HZG et membre associé du RTG. À l’aide de rayons X de haute intensité, le mathématicien a pris les images dans un court laps de temps sur la ligne de faisceau d’imagerie opérée par le HZG sur l’anneau de stockage PETRA III au Deutsche Elektronensynchrotron DESY. Et le réseau tridimensionnel présente encore un autre avantage: son extensibilité lui permet de s’adapter de manière relativement flexible à son environnement.

D’autres domaines d’application en biomédecine et en robotique douce sont envisageables

«Grâce aux collaborations entre différents groupes de travail, le RTG offre des conditions idéales pour les questions de recherche biomédicale qui nécessitent une approche interdisciplinaire», déclare Christine Selhuber-Unkel, première 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 il est susceptible de se développer énormément dans les années à venir, tandis que la demande nationale et internationale de spécialistes qualifiés augmentera – et c’est ce que nous voulons préparer notre doctorat. chercheurs pour de la meilleure façon possible », 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 prévoit de développer un hydrogel qui réagit à de petits changements de température et pourrait libérer des substances actives dans le cerveau de manière contrôlée. Christine Arndt travaille sur la manière 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.