Un patch hydrogel structurel intelligent intégrant diagnostic et traitement pour la prise en charge de l’ostéomyélite chronique

Résumé

Cette étude présente un patch d’hydrogel de couleur structurelle (CPG) intelligent pour le diagnostic et le traitement de l’ostéomyélite chronique (COM). Le patch intègre un hydrogel GelMA sensible à la température, un échafaudage CSMA-PBA sensible au pH et de l’acide salicylique pour la libération contrôlée des médicaments, la surveillance des infections et la promotion de la régénération des tissus.

Résumé

L’ostéomyélite chronique (OCM) est une infection osseuse persistante qui est difficile à traiter avec des antibiotiques conventionnels en raison de problèmes tels que la résistance aux médicaments et les effets secondaires indésirables. Pour relever ce défi, nous avons développé un nouveau patch d’hydrogel (CPG) structurel intelligent pour le diagnostic et le traitement de l’OCM. Le patch combine du chitosane méthylacrylé modifié avec de l’acide phénylboronique (CSMA-PBA) comme échafaudage, de l’hydrogel GelMA sensible à la température comme charge et de l’acide salicylique (SA) pour l’administration du médicament. La caractérisation a montré d’excellentes propriétés mécaniques et une excellente force d’adhérence. Des expériences de libération de médicaments ont confirmé que les CPG réagissent efficacement aux changements de pH, ce qui permet une libération contrôlée des médicaments. La CPG sert également d’outil de diagnostic en détectant les changements de pH et de température au site de l’infection, ce qui aide à la récupération postopératoire. Les tests antimicrobiens ont montré une inhibition significative de la croissance bactérienne, et des expériences in vitro ont démontré la capacité du CPG à favoriser l’expression du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire tout en réduisant les marqueurs inflammatoires. L’étude met en évidence les capacités multifonctionnelles du patch d’hydrogel, y compris les effets antimicrobiens, anti-inflammatoires et pro-vasculaires, ce qui en fait une option thérapeutique prometteuse pour l’ostéomyélite chronique.

Introduction

L’ostéomyélite chronique est devenue une préoccupation majeure pour les patients en raison de son processus de traitement difficile et prolongé, de son risque élevé d’échec du traitement et de sa récidive¹. Les stratégies actuelles de traitement de l’ostéomyélite impliquent un débridement chirurgical du tissu nécrotique et des antibiotiques parentéraux. Cependant, la nécessité de fortes doses d’antibiotiques pour fournir des niveaux thérapeutiques au site d’action reste inefficace dans le traitement de la maladie. De plus, l’utilisation d’antibiotiques à forte dose est associée à des complications indésirables telles que la néphrotoxicité, l’ototoxicité, la résistance aux antibiotiques et les effets secondaires gastro-intestinaux. L’administration locale d’antibiotiques peut être une stratégie plus appropriée pour surmonter ces inconvénients. Bien que l’administration locale d’antibiotiques puisse traiter les infections osseuses avec des effets secondaires minimes, l’induction de la régénération osseuse est cruciale pour le succès du traitement². Par conséquent, l’administration simultanée d’antibiotiques et de facteurs de croissance osseuse semble être une stratégie de traitement prometteuse. Au cours des dernières décennies, le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) non biodégradable a été le pilier de l’antibiothérapie locale dans l’ostéomyélite. Cependant, l’utilisation du PMMA comme système d’administration locale d’antibiotiques se heurte à des limites telles que la nécessité d’une deuxième intervention chirurgicale pour l’élimination des billes, la formation d’un biofilm bactérien qui favorise la colonisation de surface, la libération à long terme d’antibiotiques à des niveaux sous-thérapeutiques conduisant à une résistance aux antibiotiques, la toxicité systémique des monomères résiduels et l’absence de propriétés inductives osseuses³. Ainsi, le développement de systèmes d’administration locale biodégradables à l’aide de polymères biocompatibles pourrait pallier ces inconvénients. La littérature suggère que les nanoparticules de fibroïne de soie (SFNP) incorporées dans un échafaudage de soie pour l’administration locale de vancomycine peuvent être utilisées pour traiter l’ostéomyélite sévère. Cependant, l’absence de molécules bioactives inductives osseuses dans le matériau nanocomposite a fait en sorte que les constructions préparées n’ont pas induit de manière significative la régénération osseuse. Par conséquent, la conception de matériaux d’échafaudage nanocomposites adaptés au traitement de l’ostéomyélite chronique a été un sujet de préoccupation difficile. Les hydrogels naturels à base de polymères ont fait l’objet d’une grande attention en raison de leur similitude structurelle avec la matrice extracellulaire (MEC) et de leur capacité à contrôler la libération de médicaments⁴.

L’une des principales caractéristiques des hydrogels est leur réactivité à différents facteurs tels que la température et le pH. Les infections chroniques peuvent augmenter le pH en raison de la charge microbienne, de la dérégulation de l’équilibre régénération-dégradation et de l’augmentation des réactions métaboliques de décomposition. De plus, l’excision chirurgicale de matériaux débridés, tels que le tissu nécrotique et le pus, peut accélérer la transition du pH vers des valeurs plus élevées⁵. Par conséquent, l’utilisation d’hydrogels sensibles au pH capables de détecter le pH d’une infection chronique est cruciale pour le pronostic de l’ostéomyélite chronique.

Dans cette étude, nous proposons une approche intégrée de diagnostic et de traitement à l’aide d’un patch d’hydrogel structurel intelligent, possédant les caractéristiques requises pour traiter l’ostéomyélite chronique, comme illustré à la figure 1. Les hydrogels supramoléculaires dérivés de l’assemblage de réseaux de polymères supramoléculaires sont des matériaux attrayants similaires à la matrice extracellulaire naturelle (MEC). En raison de leurs excellentes propriétés, notamment une résistance mécanique appropriée, des propriétés auto-cicatrisantes, antibactériennes et anti-inflammatoires, les hydrogels supramoléculaires ont trouvé de nombreuses applications dans le domaine biomédical⁶. En revanche, la couleur structurelle, en tant que type de couleur produite par des interactions uniques de la lumière avec des nanostructures périodiques intrinsèques, a suscité une grande attention dans des domaines tels que les écrans optiques, les étiquettes anti-contrefaçon et les appareils électroniques portables. En particulier, lorsque les matériaux de couleur structurelle sont construits à partir de polymères réactifs, leur couleur peut être ajustée par différents stimuli par expansion ou contraction de ces polymères, ce qui suggère le potentiel de ces matériaux en tant que capteurs. Par conséquent, on peut imaginer que la combinaison d’hydrogels supramoléculaires avec des couleurs structurelles fournira une stratégie unique pour la construction de nouveaux patchs d’hydrogel pour le traitement de l’ostéomyélite chronique ^7,8,9.

Dans ce contexte, nous avons développé une approche intégrée de diagnostic et de traitement à l’aide d’un patch d’hydrogel de couleur structurelle intelligent (CPG) composé de chitosane méthylacrylé modifié mélangé avec de l’acide phénylboronique (CSMA-PBA) comme échafaudage anti-protéines, de l’hydrogel GelMA sensible à la température comme charge et chargé d’acide salicylique (SA)¹⁰. En raison de la réversibilité des liaisons hydrogène et des interactions non covalentes au sein du réseau, le patch d’hydrogel résultant présentait non seulement d’excellentes propriétés mécaniques, mais possédait également des capacités d’auto-guérison. De plus, en raison de la présence de CSMA, ce patch d’hydrogel a également présenté une puissante bioactivité antibactérienne. De plus, en utilisant la réactivité thermique du polymère GelMA, le patch d’hydrogel pourrait libérer des substances actives lorsqu’il est placé sur le site d’inflammation à une température relativement plus élevée. Simultanément, en raison de la présence de liaisons ester de bore dans le CSMA-PBA, l’hydrogel a réagi aux changements du pH environnemental¹¹. Sur la base de ces avantages, nous avons démontré que le patch d’hydrogel supramoléculaire de couleur structurelle proposé pouvait traiter l’ostéomyélite chronique en régulant à la baisse l’expression des facteurs inflammatoires, l’activité antibactérienne et en favorisant l’angiogenèse. Bénéficiant notamment des propriétés optiques uniques de l’échafaudage anti-protéines, le patch d’hydrogel pourrait même présenter une capacité de changement de couleur en réponse à des stimuli de température, démontrant ainsi un potentiel significatif dans la surveillance et la gestion de l’ostéomyélite chronique et l’orientation du traitement clinique.

Protocole

Toutes les procédures ont été approuvées par le Comité d’éthique médicale et exécutées conformément aux directives pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire (publication NIH n° 80-23, révisée en 1978). Des rats Sprague-Dawley mâles (âgés de 8 semaines) ont été utilisés dans les expériences.

Préparation de matrices de cristaux colloïdaux de silice (SCC)
Les CSC ont été préparés comme décrit précédemment 12,13,14. Des lames de verre nettoyées et traitées au plasma ont été immergées dans une solution à 5 % de nanoparticules de silice monodispersées (12 nm de diamètre) dispersées dans de l’eau désionisée. La solution a été agitée en continu à température ambiante (25 °C) pendant 1 h pour assurer une dispersion uniforme des nanoparticules de silice. Les lames ont été retirées de la solution et séchées à l’air libre pendant 1 h à température ambiante. Le processus de séchage était essentiel pour assurer la bonne adhérence des nanoparticules sur la surface des lames de verre. Après séchage à l’air, les lames ont été placées dans un four ventilé à 60 °C pendant 2 jours pour évaporer tout solvant restant et faciliter la formation de cristaux colloïdaux. Au cours de cette évaporation, les lames ont été positionnées à un angle de 45° pour favoriser la formation de réseaux de cristaux colloïdaux ordonnés. Les réseaux de cristaux colloïdaux ordonnés étaient caractérisés par l’auto-assemblage et présentaient des couleurs structurelles différentes en fonction de l’espacement entre les particules. Ces réseaux ont ensuite été utilisés comme modèles pour la fabrication ultérieure de patchs d’hydrogel.

Préparation d’un diagnostic et d’un traitement intégrés de patchs d’hydrogel de couleur structurelle intelligents (CPG)
Des échafaudages de pierre anti-protéines ont été répliqués à partir des vides de matrices de cristaux colloïdaux de silice (SCC). Les lames de verre nettoyées ont d’abord été immergées dans une solution à 5 % de nanoparticules de silice monodispersées (12 nm de diamètre) dans de l’eau désionisée, et la solution a été agitée à température ambiante (25 °C) pendant 1 h pour assurer une dispersion uniforme des nanoparticules sur la surface. Le processus d’agitation était crucial pour empêcher la formation d’agrégats et assurer une distribution homogène des nanoparticules. Après immersion, les lames ont été séchées à l’air libre pendant 1 h à température ambiante (RT), puis séchées à l’étuve à 60 °C pendant 2 jours pour faciliter l’évaporation du solvant et favoriser l’auto-assemblage des nanoparticules de silice en réseaux de cristaux colloïdaux bien ordonnés. Pendant l’évaporation, les lames ont été positionnées à un angle de 45° pour faciliter l’alignement des nanoparticules, favorisant la formation d’un réseau périodique avec des distances inter-particules contrôlées. Ce réseau ordonné présentait une couleur structurelle, une caractéristique des cristaux colloïdaux, et servait de modèle pour la structure ultérieure de l’hydrogel.

Les CSC préparés ont ensuite été trempés dans la solution prégel de CPG, qui consistait en GelMA à une concentration de 10 % p/v dissous dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS). Les échantillons ont été laissés pendant 5 min à température ambiante (RT) pour assurer une infiltration complète du GelMA dans les vides entre les nanoparticules de silice, assurant une distribution uniforme au sein de la structure de la matrice. Cette étape était essentielle pour s’assurer que la matrice d’hydrogel était uniformément incorporée dans la matrice et que la structure finale de l’hydrogel reproduisait l’arrangement ordonné des nanoparticules des CSC. Après le trempage, la solution de pré-gel a été polymérisée sous lumière UV (365 nm) à une intensité de 3 mW/^cm2 pendant 5 min. Cette exposition aux UV a initié la réticulation de GelMA, solidifiant la matrice d’hydrogel. Le temps et l’intensité d’exposition ont été soigneusement optimisés pour obtenir une réticulation suffisante sans surexposer l’hydrogel, ce qui pourrait entraîner une gélification excessive ou une perte de structure du modèle.

Caractérisation des CPG
La morphologie en coupe transversale de l’hydrogel a été observée à l’aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) avec une tension d’accélération de 5 kV après revêtement des échantillons (1 mm x 1 mm) avec de l’or¹⁵. Cela nous a permis de visualiser la structure nanoporeuse et de confirmer l’uniformité du réseau d’hydrogels. Le comportement de gonflement a été évalué en immergeant des échantillons d’hydrogel de 10 mg dans 10 mL de PBS à différents intervalles de temps (0, 30, 60, 120 et 180 min). Le pourcentage de gonflement a été calculé en mesurant l’augmentation du volume de l’hydrogel au fil du temps, ce qui a permis de mieux comprendre la capacité de l’hydrogel à absorber l’eau dans différentes conditions. L’analyse rhéologique a été réalisée à l’aide d’un rhéomètre avec une déformation de 1 %, en appliquant des fréquences angulaires allant de 1 rad/s à 100 rad/s pour mesurer le module de stockage (G') et le module de perte (G''). Cette étape était essentielle pour comprendre les propriétés mécaniques de l’hydrogel, y compris son comportement viscoélastique sous contrainte. Les propriétés de l’adhésif par cisaillement ont été évaluées à l’aide d’une machine d’essai de traction universelle (Instron) conformément à la norme ASTM F2255-05 (2015) à une vitesse de 10 mm/min et à une précharge de 0,01 N afin d’évaluer la capacité de l’hydrogel à adhérer aux tissus biologiques. La libération du médicament a été évaluée à l’aide d’un spectrophotomètre UV en surveillant l’absorbance à λ = 280 nm après immersion de l’hydrogel dans 5 mL de PBS (pH 7,4). Le rejet a été quantifié à l’aide d’une courbe standard des concentrations d’acide salicylique afin de confirmer les capacités de libération contrôlée de l’hydrogel CPG. Enfin, des hydrogels ont été immergés dans des solutions tampons de pH 4,5 et 7,2 pendant 30 minutes pour évaluer la réactivité du pH, en observant les changements de volume et d’apparence dans différentes conditions de pH¹⁶.

Réactivité à la température et au pH des patchs CPG
Des timbres de GPC (d’environ 2 mm de diamètre) ont été placés dans une solution tampon de 5 mL à pH 7,2 et maintenus à 37 °C à l’aide d’un bain-marie à température contrôlée pendant 30 minutes pour imiter les conditions physiologiques. Les spectres de réflectance ont été mesurés à l’aide d’un spectrophotomètre UV-Vis à des longueurs d’onde allant de 400 nm à 800 nm. Après les mesures initiales, les patchs ont été transférés dans des solutions tampons avec différentes valeurs de pH (par exemple, pH 4,5, 7,2 et 9,0) et maintenus à 37 °C pendant 30 min. La réponse au microenvironnement, y compris tout changement de couleur, a été observée visuellement, et les spectres de réflectance ont été enregistrés à nouveau pour analyser le changement de couleur. Cette réactivité à la température et au pH fournit des informations précieuses sur la façon dont l’hydrogel réagit aux changements dans l’environnement de la plaie.

Tests antibactériens in vitro
Des tests antibactériens ont été effectués à l’aide de procédures standard. Les souches de Staphylococcus aureus (S. aureus, ATCC 25923) et d’Escherichia coli (E. coli, ATCC 53868) ont été utilisées pour évaluer l’activité antibactérienne des patchs CPG. Ces souches de référence standard ont été achetées de l’American Type Culture Collection (ATCC) et ont été utilisées comme souches de contrôle de la qualité (CQ) pour valider les procédures d’essai antimicrobien. L’antibiogramme a été effectué à l’aide de la méthode de microdilution en bouillon conformément aux lignes directrices CLSI M100. Les suspensions bactériennes ont été préparées dans du bouillon Mueller-Hinton, un milieu standard pour les tests antimicrobiens. La turbidité a été ajustée à une norme McFarland de 0,5, ce qui équivaut à environ 1,5 × 10⁸ UFC/mL. Les suspensions ont ensuite été inoculées avec des patchs CPG (2 mm de diamètre), préparés avec de l’eau désionisée ou un tampon d’acide 2-(N-morpholino)éthanesulfonique (MES) pH 6,0 (10 mM). Les timbres ont été ajoutés aux suspensions bactériennes à raison d’un timbre pour 1 mL de culture. Les suspensions ont été incubées à 37 °C pendant 24 h. Après l’incubation, la croissance bactérienne a été évaluée par dilutions en série des cultures sur gélose nutritive, et les unités formant colonies (UFC) ont été comptées après une incubation de 24 heures à 37 °C. Cette procédure a fourni une mesure quantitative de l’efficacité antibactérienne.

Évaluation de la biocompatibilité
Les expériences ont été menées comme décrit précédemment. Les patchs CPG ont été traités par dialyse dans du PBS (pH 7,4) pendant 4 h, suivie d’une stérilisation à l’éthanol (70 %) pendant 10 min et d’une désinfection UV (365 nm) pendant 30 min pour s’assurer que tous les contaminants biologiques étaient éliminés. Les cellules L929 (ATCC CCL-1) ont été cultivées dans un milieu DMEM complété par 10 % de sérum de veau fœtal (FBS) et 1 % de pénicilline-streptomycine à 37 °C avec 5 % de CO² pour maintenir la viabilité cellulaire. Les cellules ont été ensemencées dans des plaques de 24 puits à raison de 2 × 10^{à 5} cellules/mL, avec ou sans patchs CPG (2 mm de diamètre), en trois exemplaires. Les cellules ont été divisées en trois groupes expérimentaux : témoin à blanc, groupe CPG et groupe CPG (MES). Après 24 heures, la viabilité cellulaire a été évaluée à l’aide du test MTT, une méthode largement acceptée pour évaluer l’activité métabolique cellulaire. Pour le dosage du MTT, 20 μL de MTT (5 mg/mL) ont été ajoutés à chaque puits, suivis d’une incubation à 37 °C pendant 4 h. Après l’incubation, le milieu a été retiré et 150 μL de DMSO ont été ajoutés pour dissoudre les cristaux de formazan formés par les cellules vivantes. L’absorbance a été mesurée à 570 nm à l’aide d’un lecteur de microplaques pour quantifier le nombre de cellules viables. Cette approche a permis d’assurer une évaluation fiable de la cytotoxicité et de la biocompatibilité des patchs d’hydrogel.

Activité anti-inflammatoire
L’activité antioxydante de la CPG a été évaluée à l’aide d’un kit de dosage ROS. Les cellules L929 (ATCC CCL-1) ont été cultivées dans un milieu DMEM complété par 10 % de sérum de bovin fœtal (FBS) et incubées à 37 °C avec 5 % de CO₂ pendant 24 h pour permettre la fixation cellulaire et la prolifération initiale. Pour induire un stress oxydatif, les cellules ont été traitées avec 3 μg/mL de peroxyde d’hydrogène (H2O2) pendant 12 h. Après induction du stress oxydatif, un extrait d’hydrogel (préparé en dissolvant 1 mg d’hydrogel CPG dans 1 mL de milieu DMEM) a été ajouté aux cellules. Les cellules ont été incubées pendant 12 heures supplémentaires pour permettre les effets antioxydants potentiels de l’hydrogel CPG. Par la suite, les cellules ont été colorées avec une solution de DCFH-DA de 10 μM (diluée dans un milieu DMEM) et incubées à 37 °C pendant 20 min. DCFH-DA est une sonde fluorescente utilisée pour détecter les espèces réactives de l’oxygène (ROS) à l’intérieur des cellules. Après la coloration, les cellules ont été lavées avec du PBS, et des images de fluorescence ont été capturées à l’aide d’un microscope à fluorescence à une longueur d’onde d’excitation de 485 nm et à une longueur d’onde d’émission de 530 nm. L’intensité de la fluorescence verte était inversement corrélée à l’activité antioxydante de l’hydrogel, fournissant une évaluation visuelle de la capacité de l’hydrogel à atténuer le stress oxydatif dans les cellules.

Modèle animal d’ostéomyélite chez le rat
Un modèle d’ostéomyélite chronique a été établi : des rats Sprague-Dawley mâles (âgés de 8 semaines) ont été anesthésiés à l’aide d’isoflurane (2 à 3 % d’oxygène) pour s’assurer qu’ils restaient immobiles et sans douleur pendant l’opération. Une incision de 2 cm a été pratiquée sur la face latérale du fémur gauche, et une aiguille stérile de 27-G a été utilisée pour injecter 1 10⁷ UFC de S. aureus directement dans la région trabéculaire du fémur. L’injection a été effectuée dans la cavité de la moelle osseuse du fémur pour induire une infection dans l’espace de la moelle, le site principal de l’ostéomyélite. Les bactéries ont été libérées lentement pour assurer un bon dépôt dans la moelle osseuse. Après 10 jours, les rats ont été euthanasiés par inhalation de CO₂ , et les fémurs infectés ont été soigneusement disséqués. Le tissu de granulation a été excisé du site d’infection et immédiatement immergé dans du paraformaldéhyde à 4 % pendant 24 h pour préserver l’intégrité du tissu. Après la fixation, le tissu osseux a été décalcifié à l’aide d’un agent décalcifiant (par exemple, EDTA) pendant 48 à 72 heures, selon la taille de l’os, afin de permettre une section appropriée pour l’analyse histologique et immunohistochimique. Les échantillons d’os décalcifiés ont ensuite été traités pour l’examen histologique, l’immunohistochimie (IHC) et la coloration par immunofluorescence. Pour l’analyse quantitative par PCR en temps réel (qPCR), le tissu de granulation a été stocké à -80 °C pour l’extraction ultérieure de l’ARN, ce qui a permis d’analyser les profils d’expression génique liés à l’inflammation, à la régénération osseuse et aux réponses immunitaires

Évaluation du traitement de l’ostéomyélite in vivo
Le tissu de granulation a été incorporé dans de la paraffine et sectionné à 5 μm à l’aide d’un microtome. Les coupes ont été colorées avec la coloration trichrome de Masson (15 min avec de l’hématoxyline, 1 h avec du bleu d’aniline) pour évaluer le dépôt de collagène et le remodelage tissulaire. La coloration à l’hématoxyline et à l’éosine (HE) (5 min avec l’hématoxyline, 2 min avec l’éosine) a été utilisée pour observer la morphologie générale des tissus et l’inflammation. L’immunohistochimie (IHC) avec l’anti-CD31 (1:100) et l’anti-EGF (1:200) a été réalisée pendant 1 h à 37 °C, suivie d’une incubation secondaire d’anticorps à température ambiante (RT) pendant 30 min à l’aide d’IgG anti-souris ou d’IgG anti-lapin (diluées 1:200), selon l’anticorps primaire utilisé, pour évaluer l’angiogenèse et l’expression du facteur de croissance. Une coloration par immunofluorescence a été réalisée avec de l’anti-VEGF (1:100) et de l’anti-bFGF (1:200) pendant 1 h à 37 °C, suivie d’une incubation secondaire d’anticorps pendant 30 min à RT. Des coupes ont été observées pour l’expression de CD31, EGF, VEGF et bFGF à l’aide d’un microscope à fluorescence. Pour l’analyse quantitative par PCR en temps réel (qPCR), l’expression de l’ARNm des cytokines pro-inflammatoires (TNF-α, IL-1β et IL-6) a été analysée après l’extraction de l’ARN avec RNAiso Plus et la synthèse de l’ADNc à l’aide du kit de réactifs PrimeScript RT. La PCR a été réalisée à l’aide de SYBR Green PCR Master Mix pour évaluer quantitativement la réponse inflammatoire au niveau moléculaire.

Mesures de contrôle de la qualité
Pour assurer la fiabilité et la reproductibilité des résultats expérimentaux, toutes les procédures ont été effectuées selon des protocoles standardisés. Chaque expérience comprenait des groupes témoins appropriés, tels que des témoins à blanc (rats infectés par S. aureus mais ne recevant aucun traitement), des groupes témoins (rats ayant subi des interventions chirurgicales sans infection bactérienne et aucun traitement) et des groupes de traitement comparatifs (rats recevant différents traitements pour l’ostéomyélite, tels que des antibiotiques ou un médicament expérimental), afin de minimiser la variabilité. Tous les essais ont été effectués en trois exemplaires afin d’assurer l’uniformité et de réduire le biais expérimental. Chaque groupe contenait 6 rats pour assurer une signification statistique. Les instruments, y compris un spectrophotomètre UV-Vis, un rhéomètre et un testeur de traction, ont été régulièrement étalonnés avant d’être utilisés conformément aux spécifications du fabricant. Des cultures bactériennes et cellulaires ont été préparées dans des conditions environnementales contrôlées dans une enceinte de biosécurité, et les procédures de coloration ont été suivies à l’aide de protocoles cohérents pour assurer la reproductibilité. L’acquisition des données a été effectuée avec des paramètres de microscope unifiés afin de minimiser la variabilité entre les échantillons et d’assurer une mesure précise.

Analyse statistique
L’analyse statistique a été effectuée à l’aide de GraphPad Prism (version 8.0). Les données sont présentées sous forme de moyenne ± d’écart-type (ET). Pour la comparaison entre plusieurs groupes, une analyse de variance à un facteur (ANOVA) suivie d’un test post-hoc de Tukey a été utilisée pour évaluer les différences de propriétés mécaniques, de comportement thermoréactif, d’activité antibactérienne et de viabilité cellulaire. Le test t de Student a été utilisé pour des comparaisons par paires lorsque seulement deux groupes ont été comparés, comme dans le cas de la comparaison des pics de réflexion des patchs CPG à différentes valeurs de pH ou changements de température. P < 0,05 a été considéré comme statistiquement significatif pour toutes les analyses. Toutes les expériences ont été réalisées en trois exemplaires afin d’assurer la cohérence et la reproductibilité des résultats.

Résultats

Fabrication et caractérisation de patchs CPG (Figure 1)
Dans une expérience typique, des nanoparticules de silice monodispersées ont été auto-assemblées par évaporation de solvant pour former des réseaux serrés, ce qui a donné lieu à des revêtements de couleur structurelle (SCC)17,18,19, qui ont ensuite été utilisés pour créer des patchs d’hydrogel de couleur structurelle multifonctionnelles, comme le montre la figure 1. Le procédé impliquait l’infiltration d’une solution pré-gel dans les espaces à l’échelle nanométrique des CSC par capillarité. La polymérisation UV a ensuite été utilisée pour former le film hybride de CSC et d’hydrogel. Une fois les CSC gravés, un échafaudage inverse en pierre anti-protéine avec une structure poreuse périodique a été obtenu. Enfin, l’hydrogel thermoréactif GelMA a été rempli dans les espaces à l’échelle nanométrique de l’échafaudage de pierre anti-protéines, suivi d’un durcissement, pour créer les patchs CPG indépendants.

Le puissant réseau de réticulation de l’hydrogel a conféré d’excellentes propriétés mécaniques aux patchs CPG. Il a été observé que les patchs étaient suffisamment résistants pour résister à l’étirement sans causer de dommages et pouvaient être étirés jusqu’à 2,5 fois leur longueur d’origine. Il est important de noter que les patchs CPG présentaient des couleurs structurelles vibrantes et subissaient des changements de couleur dynamiques pendant l’étirement, une caractéristique unique résultant de l’arrangement périodique de nanostructures d’ordre supérieur à l’intérieur des patchs. Ces nanostructures créent des bandes interdites photoniques (PBG), où la lumière à certaines longueurs d’onde à l’intérieur du PBG est réfléchie de manière sélective plutôt que transmise, conférant aux patchs CPG leurs couleurs structurelles caractéristiques et leurs pics de réflexion.

La position de réflexion maximale du patch CPG peut être estimée par l’équation²⁰ :

λ = 1,633dn_{en moyenne}

où d est la distance entre les plans de diffraction et n_average est l’indice de réfraction moyen du matériau, qui est calculé comme la moyenne des indices de réfraction des composants, y compris l’hydrogel GelMA et les autres matériaux utilisés dans le patch. Cette équation suggère que, à mesure que la tache est étirée et que d diminue, la longueur d’onde de réflexion diminue, ce qui entraîne un décalage vers le bleu de la couleur structurelle de la tache. La résistance à la traction des patchs a également été testée, et il a été constaté que la capacité de déformation des patchs diminuait en raison du remplissage de l’hydrogel GelMA dans les espaces à l’échelle nanométrique de l’échafaudage en pierre anti-protéines. La déformation des patchs CPG lors de l’étirement offre un moyen très sensible pour la détection des contraintes, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant une surveillance mécanique.

Comportement thermoréactif et sensible au pH des patchs CPG (Figure 2)
Les patchs CPG ont présenté des propriétés thermoréactives remarquables grâce à l’hydrogel GelMA. En augmentant la température ambiante à 37 °C, l’hydrogel a subi un rétrécissement, libérant des molécules d’eau et une cargaison chargée. Ce rétrécissement a entraîné une réduction de la taille des nanopores à l’intérieur des patchs CPG, modifiant leur PBG et par conséquent déplaçant le spectre de réflexion. La figure 2 illustre ce comportement, en montrant comment la couleur structurelle des plaques change en réponse aux variations de température et de pH.

Pour confirmer ces observations, les patchs CPG ont été placés dans un environnement de plaie d’infection chronique simulée à 37 °C et à un pH de 7,2. Au fur et à mesure que le pH de la solution augmentait, un décalage vers le bleu du pic de réflexion des patchs CPG a été observé, indiquant que la taille des nanopores diminuait. À l’inverse, lorsque le pH diminuait, les plaques présentaient un décalage vers le rouge, correspondant à une expansion des nanopores. Ce comportement sensible au pH a été attribué à l’hydrolyse des liaisons ester de bore dans le CSMA-PBA dans des conditions acides, ce qui a rompu les liaisons et entraîné un décalage vers le rouge de la couleur structurelle. Cependant, lorsque le pH était alcalin, aucun changement de couleur significatif n’a été observé, indiquant la stabilité des taches dans des conditions basiques. Ces résultats suggèrent que les patchs CPG peuvent être utilisés pour surveiller à la fois les changements de température et de pH dans l’environnement des plaies, ce qui est crucial pour une gestion efficace des plaies.

Activité antibactérienne des patchs CPG (Figure 3)
Les propriétés antibactériennes des patchs CPG ont été évaluées en les co-cultivant avec S. aureus et E. coli. La figure 3A,B montre que les patchs CPG ont considérablement réduit la croissance bactérienne, démontrant ainsi leurs propriétés antibactériennes efficaces. Cette efficacité antibactérienne a été attribuée à l’interaction électrostatique entre la surface CMCSMA chargée positivement des patchs et les parois cellulaires bactériennes chargées négativement²¹. Cette interaction a perturbé la structure de la membrane bactérienne, entraînant la mort bactérienne. Les groupes cationiques de la CMCSMA peuvent se lier aux composants anioniques de la membrane bactérienne, entraînant une dépolarisation de la membrane et une perméabilité accrue²². De plus, en raison de sa taille moléculaire relativement petite et de ses chaînes polymères flexibles, le CMCSMA peut pénétrer plus efficacement dans la bicouche lipidique, provoquant des fuites de substances intracellulaires et interférant avec l’activité métabolique. La petite taille des molécules CMCSMA a facilité leur pénétration dans la membrane cellulaire bactérienne, où elles ont interagi avec des biomolécules essentielles, perturbant le métabolisme bactérien et les systèmes enzymatiques²³. De plus, compte tenu de la forte capacité de formation de biofilms de S. aureus, il convient de noter que des matériaux à base de chitosane comme le CMCSMA perturbent les biofilms bactériens en pénétrant dans la matrice de substances polymères extracellulaires (EPS) et en interférant avec son intégrité. Cela permet aux agents antibactériens d’accéder aux bactéries intégrées dans les biofilms, qui sont généralement résistantes aux antibiotiques conventionnels, et de les tuer^24,25. Comme le montre la figure 3A, la comparaison visuelle des colonies bactériennes démontre clairement une réduction substantielle après le traitement avec des patchs CPG, mettant en évidence leur activité bactéricide efficace et leur potentiel prometteur d’utilisation dans des environnements de plaies sujets aux infections.

Fonctionnalité biologique des patchs CPG (Figure 4)
Les patchs CPG ont démontré une fonctionnalité biologique significative en plus de leurs propriétés antibactériennes. Les figures 4C et D montrent que les taches ont efficacement récupéré les espèces réactives de l’oxygène (ROS) à l’intérieur des cellules, comme l’indique la diminution du signal de fluorescence verte dans le groupe CPG. Le piégeage des ROS est essentiel dans la cicatrisation des plaies, car une production excessive de ROS peut nuire à la régénération des tissus. La viabilité des cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC) co-cultivées avec les patchs CPG a été évaluée à l’aide de la coloration de viabilité, comme le montre la figure 4A. Les résultats ont indiqué que la majorité des cellules étaient vivantes, avec seulement une petite proportion de cellules mortes, ce qui suggère que les patchs CPG favorisent la viabilité cellulaire et soutiennent la prolifération cellulaire.

La figure 4B montre les résultats d’un test MTT, qui a démontré que les patchs CPG favorisaient significativement la prolifération cellulaire. De plus, la figure 4F,G a montré que les patchs CPG amélioraient l’angiogenèse en favorisant l’expression du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) et du facteur de croissance des fibroblastes de base (bFGF), qui sont essentiels à la prolifération des cellules endothéliales et à la formation de nouveaux vaisseaux sanguins. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des patchs CPG non seulement pour prévenir l’infection, mais aussi pour améliorer la régénération des tissus et accélérer la cicatrisation des plaies.

Évaluation in vivo de patchs CPG (Figure 5)
Des expériences in vivo menées à l’aide d’un modèle d’ostéomyélite chronique ont montré que les patchs CPG réduisaient considérablement l’infection et l’inflammation. La figure 5A montre une analyse histologique (coloration H&E), où le groupe témoin a montré une inflammation caractéristique, une destruction osseuse, un tissu nécrotique et une forte infiltration des cellules de défense, tandis que le groupe de traitement a montré une réduction significative de l’infection, de l’inflammation et de l’infiltration des cellules de défense. Dans le groupe CPG, une migration accrue des ostéoblastes, la transformation des ostéoblastes en cellules osseuses, la formation vasculaire, la formation de nouveaux os et une réduction de l’infection ont été observées, confirmant davantage l’efficacité des patchs CPG dans la promotion de la régénération tissulaire.

De plus, la figure 5B montre la coloration par angiogenèse, confirmant que les patchs CPG ont favorisé la formation de nouveaux vaisseaux sanguins, ce qui est essentiel pour la réparation des tissus. Ces résultats suggèrent que les patchs CPG jouent un double rôle à la fois dans le contrôle de l’infection et dans la promotion de la régénération tissulaire, ce qui les rend parfaitement adaptés aux applications de cicatrisation des plaies chroniques et de régénération osseuse.

Figure 1 : Préparation et caractérisation du patch d’hydrogel de couleur structurale (CPG). (A) : Réaction entre le CSMA et le PBA ; (B) : Photographie de CPG, montrant le changement de couleur lors de l’étirement ; (C) : Caractérisation MEB des CPG ; (D) : Comportement de gonflement du CPG ; (E) : Profil de dégradation des CPG ; (F) : Cinétique de libération de médicament à partir de CPG. Barre d’échelle : 100 nm. Les barres d’erreur représentent l’écart-type (ET). Six rats ont été utilisés dans le groupe expérimental. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Détection intelligente du patch CPG. (A) : Variation de la couleur structurelle du patch CPG avec les changements de température ambiante et de pH ; (B) : Analyse spectrale du patch CPG à différentes températures ; (C) : Analyse spectrale du patch CPG à différents niveaux de pH. Barre d’échelle : 1 mm. Les données représentent l’écart-type moyen ±, analysé à l’aide de l’ANOVA à un facteur avec le test post-hoc de Tukey. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Activité antibactérienne du patch CPG. (A) : Images représentatives de la co-culture de S. aureus et d’E. coli avec le patch CPG ; (B) : Analyse des valeurs de densité optique (DO). Barre d’échelle : 5 mm. La signification statistique a été déterminée par ANOVA à un facteur avec le test post-hoc de Tukey. Six répétitions ont été utilisées par groupe. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Évaluation fonctionnelle biologique du patch CPG. (A) : Coloration de la viabilité des cellules HUVEC co-cultivées avec le patch CPG pendant 48 h, montrant des cellules vivantes (vertes) et des cellules mortes (rouges) ; (B) : Prolifération cellulaire mesurée par test MTT ; (C) : Coloration ROS du patch CPG ; (D) : Taux de piégeage de la DPPH dans le groupe VEGF ; (E) : analyse q-PCR des facteurs inflammatoires ; (F) : Promotion de l’angiogenèse par patch CPG ; (G) : Résultats du transfert Western de l’expression du VEGF et du bFGF ; (H) : Analyse statistique des valeurs en niveaux de gris du VEGF et du bFGF. Barre d’échelle : 100 μm. Les données ont été analysées à l’aide de l’ANOVA à un facteur avec le test post-hoc de Tukey. Six rats ont été utilisés dans chaque groupe. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Expériences in vivo du patch CPG. (A) : Coloration HE ; (B) : Coloration par angiogenèse. Barre d’échelle : 100 μm. Les données représentent l’écart-type moyen ±, analysé par ANOVA à un facteur avec le test post-hoc de Tukey. Chaque groupe contenait 6 animaux. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Les résultats de cette étude démontrent la multifonctionnalité des patchs d’hydrogel CPG, notamment en termes de changements de couleur structurels, de sensibilité à la température, de réactivité au pH et de propriétés antimicrobiennes. Ces patchs d’hydrogel peuvent subir des changements de couleur structurels visibles lorsqu’ils sont soumis à une déformation mécanique, offrant un mécanisme très sensible pour surveiller la déformation. Cette caractéristique s’aligne sur des études antérieures qui ont exploré la couleur structurelle dans les matériaux pour les applications de capteurs, où de tels changements de couleur sont utilisés comme indicateurs de déformation ou de pression^26,27. Notre étude étend ces résultats en utilisant ces changements de couleur comme un moyen non invasif de surveiller le stress des plaies, ce qui est essentiel pour évaluer la cicatrisation des plaies en temps réel. La capacité de surveiller de telles contraintes mécaniques fournit des informations essentielles aux cliniciens, ce qui peut aider à identifier les signes précoces de complications, telles que la déhiscence des sutures, favorisant ainsi des interventions plus ciblées et plus rapides. Il est important de noter que la lecture optique fournit un mécanisme de détection direct et intuitif sans avoir besoin d’une alimentation supplémentaire ou d’appareils d’imagerie, offrant une solution de surveillance décentralisée idéale pour les soins postopératoires sur le lieu d’intervention ou à domicile.

Les comportements thermoréactifs et sensibles au pH des patchs d’hydrogel CPG améliorent leur potentiel d’utilisation clinique. Au fur et à mesure que les plaies cicatrisent, les fluctuations de température et de pH sont courantes, en particulier en présence d’une infection ou d’une inflammation²⁸. On sait que des températures élevées et des valeurs de pH modifiées au site de la plaie sont associées à ces conditions. Dans cette étude, les patchs CPG ont montré une sensibilité à de tels changements, permettant une surveillance en temps réel de l’état local de la plaie. Cette caractéristique est particulièrement précieuse dans les contextes cliniques, où la détection précoce de l’infection ou de l’inflammation est essentielle pour optimiser les stratégies thérapeutiques. La surveillance des variations de température et de pH est particulièrement importante dans la gestion des plaies, car elles servent de biomarqueurs précoces et non invasifs de l’état de la plaie²⁹. Une température élevée peut signaler le début de l’infection avant que les symptômes cliniques ne se manifestent, tandis que les changements vers un pH alcalin indiquent souvent une chronicité, une colonisation microbienne et une cicatrisation altérée. En revanche, les environnements acides sont associés à des plaies aiguës et à un meilleur potentiel de cicatrisation²⁴. Ainsi, l’intégration d’éléments sensibles à la température et au pH dans les pansements permet des interventions rapides et une évaluation continue des progrès de la cicatrisation, ce qui peut prévenir la détérioration de la plaie ou la progression vers une infection systémique. La capacité de l’hydrogel à s’adapter dynamiquement à ces changements fournit également un nouvel outil aux cliniciens pour surveiller en permanence l’état de la plaie, offrant une plus grande précision dans le suivi du processus de guérison. De plus, une telle réactivité dynamique permet un contrôle spatio-temporel de la libération thérapeutique, garantissant que l’administration du médicament est synchronisée avec les signaux pathologiques, ce qui est un objectif central des biomatériaux intelligents modernes.

De plus, les propriétés antimicrobiennes des patchs d’hydrogel CPG sont essentielles pour réduire la charge bactérienne au site de la plaie. Le chitosane, qui a été incorporé dans la structure de l’hydrogel, a longtemps été reconnu pour ses propriétés antimicrobiennes, en raison de sa nature cationique, qui facilite les interactions électrostatiques avec les parois cellulaires bactériennes chargées négativement²⁹. Cependant, le mécanisme antibactérien des matériaux à base de chitosane ne se limite pas à une simple attraction de charge. Au contact avec des membranes bactériennes, le chitosane peut augmenter la perméabilité de la membrane, entraînant une fuite de contenus intracellulaires tels que les ions potassium, les protéines et les acides nucléiques. De plus, le chitosane peut chélater les ions métalliques divalents (par exemple, Ca²⁺ et Mg²⁺), perturbant l’activité enzymatique et les fonctions métaboliques. Le chitosane de faible poids moléculaire peut également pénétrer la paroi cellulaire bactérienne et se lier à l’ADN, inhibant la transcription de l’ARNm et la synthèse des protéines. Ces mécanismes multiformes ont été largement documentés. La structure poreuse de l’échafaudage en hydrogel amplifie encore ces effets en améliorant la surface et le contact bactérien, ce qui se traduit par une efficacité antibactérienne synergique. Cette propriété est particulièrement pertinente dans le traitement des infections chroniques, telles que l’ostéomyélite, où la formation de biofilm complique le processus de guérison^25,30. Les résultats de cette étude démontrent que les patchs d’hydrogel CPG étaient efficaces pour inhiber la croissance bactérienne, réduire la charge bactérienne au site de la plaie et potentiellement créer un environnement plus favorable à la régénération des tissus. Cette activité antimicrobienne, combinée aux autres propriétés de l’hydrogel, positionne les patchs comme un candidat prometteur pour la gestion des plaies chroniques, qui sont souvent en proie à une contamination bactérienne et à un retard de cicatrisation. De plus, en inhibant la colonisation bactérienne locale, l’hydrogel empêche indirectement la régulation positive des cytokines pro-inflammatoires qui sont souvent subies dans les plaies chroniques infectées, favorisant ainsi un microenvironnement pro-régénératif.

Bien que les ROS soient généralement associés au stress oxydatif et aux lésions tissulaires, il est largement reconnu que la génération contrôlée de ROS joue un rôle crucial dans l’éradication bactérienne. Les ROS, tels que les radicaux hydroxyles et les anions superoxydes, peuvent oxyder les protéines bactériennes, les lipides et l’ADN, entraînant ainsi la rupture de la membrane et la mort cellulaire. Par conséquent, la présence de ROS à des niveaux modérés sert d’élément essentiel des mécanismes de défense antimicrobiens innés. Dans le contexte de l’ostéomyélite chronique, où la colonisation bactérienne et la formation de biofilms persistent, l’élimination des agents pathogènes est une condition préalable à une régénération tissulaire significative. L’hydrogel CPG, en supprimant l’excès de ROS tout en maintenant une activité antibactérienne efficace grâce à la perturbation membranaire médiée par le CMCSMA et à la pénétration du biofilm, offre une approche équilibrée. Cette double fonction garantit que l’inflammation n’est pas prolongée par une présence bactérienne persistante, ce qui permet une transition de l’activation immunitaire à un microenvironnement régénératif. Ainsi, plutôt que de piéger sans discernement les ROS, ce système module le microenvironnement oxydatif pour favoriser à la fois la clairance bactérienne et la cicatrisation des tissus.

En plus de l’activité antimicrobienne, les patchs d’hydrogel CPG ont montré une fonctionnalité biologique cruciale pour la réparation et la régénération des tissus³¹. Des essais in vitro ont démontré que l’hydrogel soutenait la viabilité et la prolifération cellulaires, ainsi que l’angiogenèse. Ces résultats sont cohérents avec des études antérieures qui ont souligné l’importance de l’angiogenèse dans la cicatrisation des plaies³². L’angiogenèse est essentielle pour fournir un apport adéquat en oxygène et en nutriments aux tissus blessés, facilitant ainsi la régénération des tissus. De plus, les effets pro-angiogéniques de l’hydrogel sont particulièrement importants pour le traitement des plaies chroniques, car ces plaies souffrent souvent d’une mauvaise vascularisation, ce qui entrave le processus de cicatrisation^33,34. En favorisant la formation des vaisseaux sanguins, l’hydrogel CPG contribue non seulement à la régénération des tissus, mais crée également un environnement plus propice à la survie à long terme des tissus nouvellement formés. De plus, la capacité de l’hydrogel à favoriser la migration et la différenciation des ostéoblastes ajoute une valeur significative dans le contexte de la cicatrisation osseuse, en particulier pour les patients atteints d’infections osseuses chroniques ou de défauts osseux³⁵. L’amélioration de l’ostéogenèse est une voie prometteuse pour améliorer les résultats de l’ostéomyélite et des affections osseuses connexes, où la guérison est souvent compromise. Une telle fonctionnalité ostéoinductive, intégrée au contrôle localisé des infections, répond à un défi central de l’ingénierie des tissus musculo-squelettiques : le besoin de solutions convergentes qui favorisent à la fois la défense antimicrobienne et la régénération des tissus dans une seule plateforme.

Les résultats in vivo corroborent davantage le potentiel thérapeutique des patchs d’hydrogel CPG, montrant leur capacité à soutenir la réparation des tissus, à réduire l’infection et à favoriser l’ostéogenèse. Dans les modèles de plaies chroniques, ces hydrogels ont efficacement facilité la fermeture de la plaie et la régénération des tissus. Dans les modèles de régénération osseuse, l’hydrogel CPG a favorisé la migration et la différenciation des ostéoblastes, améliorant ainsi la cicatrisation osseuse. Ces résultats s’alignent sur ceux d’autres études qui ont exploré des stratégies de cicatrisation des plaies et de régénération osseuse à base d’hydrogel³⁶. La capacité des patchs d’hydrogel CPG à traiter simultanément l’infection, à favoriser l’angiogenèse et à soutenir l’ostéogenèse fournit une plate-forme puissante pour le traitement complet des plaies, ce qui en fait un candidat prometteur pour une utilisation clinique.

Malgré ces résultats prometteurs, l’étude actuelle présente plusieurs limites. Premièrement, alors que les modèles in vitro et in vivo ont montré des résultats positifs, les études précliniques ont été menées principalement sur des modèles murins. Bien que les souris soient largement utilisées pour les études de cicatrisation des plaies, elles peuvent ne pas reproduire pleinement la complexité de la cicatrisation des plaies humaines. Par conséquent, une validation supplémentaire dans des modèles animaux plus grands, ainsi que dans des essais cliniques humains, est nécessaire pour confirmer l’innocuité et l’efficacité de ces patchs d’hydrogel dans des contextes cliniques réels. Deuxièmement, bien que les hydrogels CPG aient montré de bonnes propriétés mécaniques et une bonne fonctionnalité biologique à court terme, leur stabilité à long terme et leur comportement de dégradation in vivo restent incertains. Les hydrogels peuvent se dégrader avec le temps, et leurs produits de dégradation peuvent affecter le processus de guérison ou même induire des réactions indésirables. Les études futures devraient se concentrer sur l’optimisation du taux de dégradation de ces hydrogels afin de s’assurer qu’ils se dégradent de manière contrôlée, sans libérer de sous-produits nocifs. De plus, la libération contrôlée des agents bioactifs incorporés dans l’hydrogel doit être affinée pour garantir des effets thérapeutiques durables dans le temps, en particulier pour le traitement des plaies chroniques.

Bien que cette étude se concentre sur un échafaudage supramoléculaire à base d’hydrogel, d’autres approches pour aborder la même hypothèse thérapeutique comprennent des biocapteurs électrochimiques, des systèmes microfluidiques enroulés sur puce et des bandages intelligents intégrant des composants électroniques pour la détection de l’environnement. Cependant, contrairement aux technologies qui nécessitent souvent des sources d’alimentation et des interfaces complexes, le patch d’hydrogel développé ici fournit une plate-forme autonome et visuellement interprétable sans instrumentation externe, ce qui le rend particulièrement attrayant pour les environnements aux ressources limitées.

L’importance de ce travail réside dans son potentiel translationnel. Au-delà de l’ostéomyélite, la plateforme CPG peut être personnalisée pour d’autres affections liées à l’inflammation, telles que les ulcères du pied diabétique, les infections du site opératoire et la surveillance post-résection tumorale. L’intégration de fonctionnalités diagnostiques et thérapeutiques dans une seule matrice d’hydrogel offre une opportunité unique pour le développement de pansements intelligents de nouvelle génération. De plus, le système de couleur structurelle basé sur des cristaux photoniques offre des possibilités de biodétection colorimétrique en temps réel applicables à la médecine personnalisée. De plus, la modularité de la conception du CPG permet de l’adapter pour une intégration future avec des cellules souches, des exosomes ou des vecteurs de livraison de gènes afin d’étendre davantage ses capacités régénératives, en s’alignant sur les trajectoires actuelles de la médecine régénérative de précision.

À l’avenir, les recherches futures devraient se concentrer sur plusieurs domaines clés. Tout d’abord, l’optimisation de la composition et de la structure des patchs d’hydrogel CPG sera cruciale pour améliorer leur stabilité et leurs performances à long terme. La modification de la densité de réticulation et l’incorporation d’autres agents bioactifs, tels que des facteurs de croissance ou des cytokines, pourraient améliorer le potentiel thérapeutique de l’hydrogel pour des applications cliniques spécifiques. Deuxièmement, l’élargissement de la gamme d’applications de ces hydrogels au-delà des plaies chroniques à d’autres types de régénération tissulaire, tels que la réparation nerveuse ou cartilagineuse, pourrait démontrer davantage leur polyvalence. Des recherches sur la façon dont les hydrogels CPG peuvent être adaptés à des types de plaies spécifiques, tels que les ulcères diabétiques ou les escarres, sont nécessaires pour étendre leur applicabilité clinique. Troisièmement, l’intégration de thérapies avancées, telles que la thérapie par cellules souches ou la thérapie génique, avec des patchs d’hydrogel peut améliorer leurs propriétés régénératrices, permettant des traitements plus complets et plus efficaces. Enfin, des essais cliniques multicentriques à grande échelle et des études d’application en conditions réelles seront nécessaires pour évaluer l’innocuité, la fabricabilité, la conformité des utilisateurs et l’état de préparation réglementaire de la plateforme CPG, soutenant ainsi son application clinique éventuelle.

En conclusion, les patchs hydrogel CPG représentent une plate-forme prometteuse pour le traitement avancé des plaies et la régénération des tissus. Leur capacité à surveiller le stress des plaies, à réagir aux changements de température et de pH, à présenter des propriétés antimicrobiennes et à favoriser la régénération des tissus offre une approche à multiples facettes pour traiter les plaies chroniques. Bien que les résultats des études précliniques soient encourageants, une optimisation et une validation clinique supplémentaires sont nécessaires pour réaliser pleinement le potentiel de ces patchs d’hydrogel en milieu clinique. Les orientations futures de la recherche devraient inclure des améliorations dans la composition des matériaux, des applications plus larges, l’intégration avec des stratégies thérapeutiques avancées et des essais cliniques pour établir leur efficacité et leur innocuité chez l’homme.

Dans cette expérience, nous avons utilisé une combinaison de méthyle CSMA-PBA comme échafaudage d’opale inverse, d’hydrogel GelMA sensible à la température comme charge et l’avons chargé de SA pour créer un patch d’hydrogel structurel intelligent de diagnostic et de thérapie CPG. Les résultats expérimentaux démontrent que ce patch d’hydrogel présente d’excellentes propriétés mécaniques et une force d’adhérence. Il peut inhiber la croissance bactérienne, réguler considérablement à la hausse l’expression du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire et réguler à la baisse les niveaux de facteurs inflammatoires, offrant ainsi des perspectives cliniques significatives pour le traitement de la COM. De plus, il est important de noter que, sur la base de la capacité du CPG à détecter les changements de température et de pH au site de l’infection, il joue un rôle de surveillance dans la récupération postopératoire de l’ostéomyélite chronique.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Acrylamide (AM, 99 %)	Sigma-Aldrich	A8887	Monomère pour la polymérisation d’hydrogel
Chlorure d’acryloyle (AC, 99 %)	TCI Chemicals	A0376	Utilisé dans les réactions de modification chimique
Alumine alcaline (200-300 mesh)	Aladin	A112336	Utilisé pour purifier le méthacrylate de méthyle
Anticorps anti-bFGF	Santa Cruz	SC-9084	Coloration par immunofluorescence pour la détection des facteurs de croissance
Anticorps anti-CD31	Abcam	AB28364	Immunohistochimie pour la détection de marqueurs vasculaires
Anticorps anti-EGF	Sigma-Aldrich	E9644	Coloration immunohistochimique
Anticorps anti-VEGF	Santa Cruz	SC-7269	Coloration par immunofluorescence pour l’angiogenèse
Bis-acrylamide (BIS, 97 %)	Sigma-Aldrich	Référence M7279	Agent de réticulation dans un réseau d’hydrogel
Kit de comptage cellulaire-8 (CCK-8)	Dojindo	CK04	Évaluation de la viabilité cellulaire
Chitosane méthylacrylé (CSMA-PBA)	Sigma-Aldrich	Réf. C3641	Formation d’échafaudages dans des patchs d’hydrogel
Sonde DCFH-DA	Beyotime	Réf. S0033	Détection des espèces réactives de l’oxygène (ROS)
Sulfoxyde de diméthyle (DMSO)	China National Pharmaceutical Group Corporation	DMSO-AR	Solvant pour la formulation d’hydrogel
Escherichia coli (E. coli)	ATCC	-	Utilisé dans les tests antibactériens
Fluorescence Microscope	Olympe	BX53	Immunofluorescence et imagerie cellulaire
Méthacrylate de gélatine (GelMA)	Sigma-Aldrich	G1894	Composant hydrogel sensible à la température
Acide chlorhydrique (HCl)	Chongqing Tianyun	HCl-AR	Ajustement du pH en synthèse
Peroxyde d’hydrogène (H2O2)	Sigma-Aldrich	N° H1009	Induit un stress oxydatif dans les cellules
Acide fluorhydrique (HF, 4 %)	Sinopharm	H814912	Gravure de cristaux colloïdaux de silice
Machine universelle d’essai de traction Instron	Instron	3345	Essais mécaniques et de résistance à l’adhérence
Cellules L929	ATCC	CCL-1	Utilisé pour les tests de cytotoxicité et de biocompatibilité
Leica Microtome	Leica	RM2235	Utilisé pour la coupe en paraffine des tissus
Rats Sprague-Dawley mâles (8 semaines)	Biotechnologie Reagan	-	Modèle d’ostéomyélite chronique in vivo
Masson' s Kit de teinture trichrome	Solarbio	G1340	Coloration histologique de la fibrose
Méthacrylate de méthyle (MMA, 99 %)	Sigma-Aldrich	Référence M27805	Monomère pour la formation d’échafaudages
Kit de dosage MTT	Beyotime	Référence M5655	Évaluation de la prolifération cellulaire et de la cytotoxicité
Paraformaldéhyde (4 %)	Servicebio	G1101	Fixation tissulaire
Paraffine	Sigma-Aldrich	Réf. P1003	Milieu d’enrobage pour l’histologie
Tampon PBS	Gibco	10010023	Utilisé dans le traitement des cellules et des hydrogels
Phénylalanine (99 %)	Sigma-Aldrich	Réf. P5482	Utilisé dans la modification chimique
Acide phénylboronique (PBA)	TCI Chemicals	Réf. P0157	Composant sensible au pH dans l’hydrogel
Persulfate de potassium (KPS)	Pékin Baolingwei	KPS-AR	Initiateur radicalaire dans la polymérisation
Kit de réactifs PrimeScript RT	Takara	RR047A	Utilisé pour la synthèse de l’ADNc
Kit de dosage des espèces réactives de l’oxygène (ROS)	KeyGen Biotech	KGAF019	Évaluation de l’activité antioxydante
Système PCR en temps réel	Biosystèmes appliqués	StepOnePlus	Quantification de l’expression génique
RNAiso Plus	Takara	9108	Réactif d’extraction d’ARN
Rhéomètre (HR-1)	TA Instruments	HR-1	Caractérisation rhéologique de l’hydrogel
Acide salicylique (SA)	Sigma-Aldrich	S3254	Molécule médicamenteuse dans l’hydrogel
Microscope électronique à balayage (MEB)	JEOL	JSM-7500F	Analyse morphologique de la structure de l’hydrogel
Nanoparticules de silice (12 nm)	Sigma-Aldrich	637246	Formation de matrices de cristaux colloïdaux de silice
Hydroxyde de sodium (NaOH)	China National Pharmaceutical Group Corporation	NaOH-AR	Ajustement du pH
Staphylocoque doré (S. aureus)	ATCC	-	Utilisé dans les tests antibactériens
SYBR Green PCR Master Mix	Biosystèmes appliqués	4367659	réactif de détection qPCR
Source de lumière UV (365 nm, 3 mW/cm² ;)	Herolab	UVT-28	Utilisé pour la polymérisation UV
Spectrophotomètre UV	Shimadzu	UV-2600	Mesure de la libération de médicaments