Un biomatériau qui peut imiter certains comportements dans les tissus biologiques pourrait faire progresser la médecine régénérative, la modélisation des maladies, la robotique douce et plus encore, selon les chercheurs de Penn State.
Les matériaux créés jusqu'à ce point pour imiter les tissus et les matrices extracellulaires (ECMS) – l'échafaudage biologique du corps des protéines et des molécules qui entourent et soutient les tissus et les cellules – ont tous eu des limites qui entravent leurs applications pratiques, selon l'équipe. Pour surmonter certaines de ces limitations, les chercheurs ont développé un matériau bio-basé sur une « vivante » qui englobe les propriétés d'auto-guérison et imite la réponse biologique de l'ECMS au stress mécanique.
Ils ont publié leurs résultats en Horizons de matériauxoù la recherche a également été présentée sur la couverture de la revue.
Nous avons développé un matériau sans cellule – ou acellulaire qui imite dynamiquement le comportement de l'ECMS, qui sont des éléments majeurs clés des tissus de mammifères qui sont cruciaux pour la structure tissulaire et les fonctions cellulaires. «
Amir Sheikhi, auteur correspondant, professeur agrégé de génie chimique et Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck Early Career Chair en biomatériaux et ingénierie régénérative
Selon les chercheurs, les itérations précédentes de leur matériau – un hydrogel ou un réseau polymère riche en eau – étaient synthétiques et manquaient de la combinaison souhaitée de réactivité mécanique et de mimétisme biologique de l'ECMS.
« Plus précisément, ces matériaux doivent reproduire le stifflage de la souche non linéaire, c'est-à-dire lorsque les réseaux ECM se raidissent sous la souche causés par les forces physiques exercées par les cellules ou signalisation. « Les matériaux doivent également reproduire les propriétés d'auto-guérison nécessaires à la structure et à la survie des tissus. Les hydrogels synthétiques antérieurs ont eu des difficultés à équilibrer la complexité des matériaux, la biocompatibilité et le mimétisme mécanique de l'ECMS. »
L'équipe a abordé ces limitations en développant des hydrogels vivants nanocomposites acellulaires (Livgels) fabriqués à partir de nanoparticules « poilues ». Les nanoparticules sont composées de nanocristaux, ou «nlinkers», avec des chaînes de cellulose désordonnées, ou «poils», aux extrémités. Ces poils introduisent l'anisotropie, ce qui signifie que les Nlinkers ont des propriétés différentes en fonction de leur orientation directionnelle et permettent une liaison dynamique avec les réseaux de biopolymères. Dans ce cas, les nanoparticules se sont liées à une matrice biopolymère d'alginate modifié, qui est un polysaccharide naturel trouvé dans les algues brunes.
« Ces Nlinkers forment des liaisons dynamiques dans la matrice qui permettent un comportement de stifflage de la souche, c'est-à-dire, imitant la réponse de l'ECM au stress mécanique; et les propriétés d'auto-guérison, qui rétablissent l'intégrité après des dommages », a déclaré Sheikhi, notant que les chercheurs ont utilisé des tests rhéologiques, Ce qui mesure comment le matériau se comporte sous divers facteurs de stress, pour mesurer la rapidité avec laquelle les Livgels ont récupéré leur structure après une forte déformation. « Cette approche de conception a permis un réglage fin des propriétés mécaniques du matériau pour correspondre à celles de l'ECMS naturel. »
Surtout, a déclaré Sheikhi, ce matériel est entièrement fait de matériaux biologiques et évite les polymères synthétiques avec des problèmes de biocompatibilité potentiels. Au-delà de l'atténuation des limites des matériaux précédemment développés, les vies atteignent les doubles traits de la mécanique non linéaire et l'auto-guérison sans sacrifier l'intégrité structurelle. Les Nlinkers facilitent spécifiquement les interactions dynamiques qui permettent un contrôle précis de la rigidité et des propriétés de sffinage de déformation. Dans l'ensemble, l'approche de conception convertit les hydrogels statiques en vrac en hydrogels dynamiques qui imitent étroitement les ECM.
Les applications potentielles comprennent l'échafaudage pour la réparation des tissus et la régénération en médecine régénérative, simulant le comportement tissulaire pour les tests de médicament et la création d'environnements réalistes pour étudier la progression de la maladie. Les chercheurs ont déclaré qu'il pourrait également être utilisé pour la bioprimination 3D Hydrogels personnalisables ou pour développer une robotique douce avec des propriétés mécaniques adaptables.
« Nos prochaines étapes incluent l'optimisation des Livgels pour des types de tissus spécifiques, l'exploration des applications in vivo pour la médecine régénérative, l'intégration de Livgels avec des plates-formes de biopntaiting 3D et l'étude du potentiel dans des appareils portables ou implantables dynamiques », a déclaré Sheikhi.
Roya Koshani, érudit post-doctoral en génie chimique à Penn State, et Sina Kheirabadi, candidat au doctorat en génie chimique à Penn State, étaient co-auteurs sur le journal. Sheikhi est également affilié aux départements de génie biomédical, de chimie et de neurochirurgie, et aux Huck Institutes of the Life Sciences.
Le soutien à cette recherche a été fourni par Penn State, notamment de: The Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck Early Career Chair; Le Convergence Center for Living Multifonctional Material Systems et le groupe d'excellence Systèmes de matériaux vivants, adaptatifs et autonomes de la vie de matériaux multifonctionnels Programme de subventions de semences de recherche collaborative; L'Institut de recherche sur les matériaux; et le Collège des matériaux d'ingénierie comptent aux subventions de semences de niveau humain.
