Il existe une classe de matériaux qui ont la capacité unique de se remettre des dommages mécaniques, thermiques et chimiques pour restaurer leurs propriétés d'origine sans assistance extérieure. Connues sous le nom de matériaux « autoréparants », ces substances/matières/produits constituent un domaine de rechercher/recherche prometteur dans le domaine biomédical, où elles ont des applications dans le traitement des plaies, les dispositifs médicaux, l'administration de médicaments, etc.
Seules certaines substances/matières/produits peuvent s'auto-guérir tout en étant compatibles avec les tissus humains et les conditions complexes du corps. Nos dernières recherches à l'aide de la collection CAS ContentTM révèle quels matériaux présentent le plus grand potentiel pour ces avancées biomédicales et quelles applications ont déjà fait les plus grands progrès.
Comment fonctionnent les matériaux autocicatrisants
Le terme « autocicatrisation » peut désigner de nombreux matériaux capables de se réparer d'eux-mêmes au niveau macroscopique ou moléculaire après avoir été endommagés. Dans les applications biomédicales, les matériaux autoréparants les plus couramment utilisés incorporent des polymères, c'est-à-dire de grosses molécules liées entre elles, qui sont modifiés de manière à former des liaisons chimiques/produits réversibles. Une grande variété de polymères, y compris des matériaux d'origine naturelle tels que le chitosane et des matériaux synthétiques tels que le PEG, font l'objet de recherches actives dans le cadre d'applications biomédicales autocicatrisantes. Les matériaux inorganiques, les composés de coordination et les métaux sont également bien représentés dans la documentation/littérature actuelle (voir Figure 1).
Les polymères présentent des qualités telles que la flexibilité et la biocompatibilité, qui sont importantes pour une utilisation dans le corps humain. Ils peuvent également avoir des groupes secondaires qui peuvent être conçus pour participer à des interactions d'auto-guérison en plus de leurs autres propriétés. Par exemple, les matériaux autoréparants ont souvent des liaisons hydrogène dans leur composition chimique/produit chimique, qui sont courantes dans les protéines et peuvent être facilement rompues et reformées même à température ambiante.
À quoi ressemble cette réforme ? Imaginons qu'une substance semblable à un gel soit introduite dans une aiguille. Si le gel contient des liaisons autoréparatrices réversibles, ces liaisons peuvent être temporairement rompues en raison de la contrainte exercée sur le gel lorsqu'il passe à travers l'aiguille, ce qui le rend liquide.
Ces liaisons peuvent ensuite se reformer, rétablissant les propriétés de type gel de la substance dans l'organisme après injection.
Les applications médicales actuelles et futures
Les matériaux autocicatrisants sont déjà utilisés dans de nombreux dispositifs implantés, pansements et systèmes d'administration de médicaments. Certaines des recherches les plus passionnantes menées aujourd'hui concernent les hydrogels, un vaste ensemble de matériaux biocompatibles à base d'eau qui peuvent être modifiés pour avoir des propriétés d'autoréparation. Les lentilles de contact souples sont un exemple d'hydrogel utilisé dans le domaine biomédical, mais les chercheurs découvrent d'autres utilisations potentielles de ces matériaux :
- Soin des plaies : Les hydrogels peuvent imiter les tissus humains grâce à leur douceur et leur flexibilité, et ils peuvent être dotés de propriétés antibactériennes, qui contribuent toutes à la cicatrisation des plaies. Par exemple, un groupe de chercheurs a mis au point un hydrogel qui peut être injecté dans des lits irréguliers de brûlures profondes. D'autres ont créé un hydrogel autocicatrisant biocompatible injectable pour les plaies situées à proximité de parties du corps fréquemment étirées, telles que les genoux et les coudes.
Des polymères naturels tels que le chitosane et la cellulose sont notamment utilisés dans ces hydrogels. Ces matériaux d'origine végétale offrent une bonne stabilité à l'intérieur du corps et sont largement disponibles. Ils peuvent également être modifiés chimiquement pour avoir des propriétés d'auto-guérison, ce qui explique pourquoi les polymères naturels sont si fréquemment cités dans les publications sur les hydrogels (voir Figure 2).
- Échafaudage en tissu : Les hydrogels autocicatrisants sont prometteurs en médecine régénérative, notamment pour favoriser le développement des tissus et des organes. Lorsqu'ils agissent comme des échafaudages, ces matériaux peuvent se réparer à l'intérieur du corps même s'ils sont blessés, favorisant ainsi la croissance et la réparation des tissus.
Par exemple, les chercheurs ont développé un hydrogel à réseau de polymères interpénétrants (IPN) mécaniquement conforme à la réglementation en utilisant du polyacrylamide (PAAM) et de la gélatine. L'hydrogel PAAM/gélatine correspondait aux propriétés physiques et chimiques/produits chimiques du tissu naturel des cordes vocales. Il a donc fonctionné comme un implant de tissu adhésif artificiel pour la réparation de la voix.
Des chercheurs chinois ont également développé un échafaudage composite en fibre d'hydrogel pour la génération de muscles. La fibre a été électrofilée à partir d'un mélange de graphène, de mélatonine et d'un polymère biocompatible tel que l'acide polylactique ou la polycaprolactone, tandis qu'un dérivé d'acide hyaluronique a été utilisé comme matrice d'hydrogel.
Les hydrogels peuvent également être utilisés pour la régénération des tissus durs, comme l'a démontré un groupe de chercheurs. Le composite d'hydrogel contenait du phosphate de calcium formant des liaisons réversibles avec la matrice dentinaire traitée à l'acide polyacrylique et au carboxyméthylchitosane, suivies de liaisons ioniques et hydrogène dynamiques dans la matrice. Cette étude a montré que l'hydrogel conservait sa bioactivité et favorisait la régénération de la dentine et des tissus durs osseux.
- Administration de médicaments : Les hydrogels peuvent être conçus avec des réticulations réversibles qui se brisent lorsqu'ils sont soumis à une contrainte de cisaillement à travers une aiguille. Le gel s'écoule comme un liquide pendant l'injection et peut ensuite se reformer en gel à l'intérieur du corps. Ces matériaux peuvent également être chargés de médicaments, sous forme de microcapsules, par exemple, qui peuvent être livrés à des endroits ciblés.
Par exemple, des chercheurs ont montré qu'un hydrogel injectable sensible au pH peut administrer des médicaments anticancéreux à des sites spécifiques du corps, puis se décomposer après l'administration. Une autre équipe de chercheurs a utilisé un hydrogel pour administrer une chimiothérapie, le médicament étant activé à l'aide d'un cornet à ultrasons après injection. Un autre hydrogel a été injecté dans une cavité de résection tumorale pour administrer une électrothérapie ciblant les cellules cancéreuses résiduelles après la chirurgie. Le matériau biphasique a permis à l'électrode de s'adapter aux bords de la cavité tout en générant des champs électriques à basse tension à proximité du site de la tumeur.
Les principaux matériaux à regarder
Notre analyse des documents et des citations de la collection de contenus CAS Content montre une croissance constante du nombre de publications dans des revues sur les matériaux autocicatrisants au cours des 20 dernières années. L'augmentation récente du ratio revues/brevets suggère que l'accent est toujours mis sur le développement initial plutôt que sur la commercialisation.
De nombreuses interactions chimiques/produits chimiques peuvent être utilisées pour conférer des propriétés d'autoréparation aux polymères, notamment des liaisons covalentes et non covalentes. Parmi les exemples d'interactions covalentes, citons les liaisons dynamiques entre bases de Schiff, largement utilisées pour les biomatériaux et qui se sont considérablement développées au cours des cinq dernières années. Ces liaisons sont basées sur des réactions entre un nucléophile et un aldéhyde ou une cétone pour former une liaison, généralement une imine ou une oxime, qui est réversible en présence d'eau. Un hydrogel auto-cicatrisant à base d'un mélange d'acide hyaluronique modifié au dialdéhyde et de cystamine en est un exemple.
Comme mentionné précédemment, la liaison hydrogène est une interaction non covalente courante, au même titre que les interactions hydrophobes, hôte-invité, électrostatiques, d'empilement π -π et de coordination métal-ligand, notamment celles entre les catéchols et les ions fer (III).
Nous constatons également une augmentation significative de l'utilisation de diisocyanates (voir Figure 3), qui sont utilisés dans la synthèse des polyuréthanes. Cela suggère que les polyuréthanes constituent une classe émergente de substances/matières/produits dans les matériaux autoréparants. Des publications de brevets récentes ont traité des polyuréthanes utilisés dans les pansements autocicatrisants et d'un polyuréthane fonctionnalisé à l'héparine doté de propriétés autoréparisantes basées sur des liaisons hydrogène et des liaisons disulfure.
La rechercher/recherche d'aujourd'hui, les avancées de demain
Les matériaux autocicatrisants doivent encore surmonter de nombreux obstacles avant d'être largement commercialisés à des fins médicales. Dans de nombreux cas, ils doivent faire l'objet d'essais cliniques approfondis pour garantir leur sécurité et leur efficacité. Bien que ces innovations soient largement expérimentales, elles recèlent un immense potentiel pour la médecine personnalisée et l'amélioration de la qualité de vie des patients. Ils peuvent accélérer la guérison, prévenir les infections, administrer des médicaments dans les zones difficiles d'accès du corps et améliorer les dispositifs qui assistent les systèmes corporels.
En exploitant/tirant parti des meilleurs matériaux de la nature grâce à des innovations en chimie, la communauté scientifique peut ouvrir de nouvelles possibilités pour la santé et le rétablissement grâce à des matériaux autoréparants. Pour en savoir plus sur les matériaux autoréparants et les tendances émergentes dans le domaine en évolution rapide des biomatériaux, consultez notre dernier Rapport Insight.
Cet article intègre des travaux de rechercher/recherche réalisés en collaboration avec l'université de Westlake, en Chine.
