1: Aperçu des biomatériaux

La biologie est maintenant utilisée pour relever les défis de l’ingénierie, car les matériaux d’origine biologique offrent des propriétés clés que les matériaux fabriqués par l’homme ne peuvent pas offrir. Les matériaux biodérivés, parfois appelés biomatériaux, sont créés à partir d’organismes vivants ou anciennement vivants. Ces matériaux ont récemment gagné en popularité car ils sont biocompatibles et peuvent agir comme des matrices pouvant abriter des biomolécules et des cellules. Cette vidéo présentera plusieurs matériaux bio-sourcés et présentera des techniques et des défis courants dans le domaine.

Il existe de nombreux polymères d’origine biologique, ou biopolymères, utilisés dans la recherche en bio-ingénierie. Tout d’abord, le collagène est un polymère protéique largement utilisé, généralement dérivé de la peau, des tendons et des os de bovins, et même de queues de rat. Les fibres de collagène possèdent une structure en triple hélice qui confère au matériau résistance et rigidité. En raison de cette propriété, le collagène est souvent utilisé comme composant structurel des constructions tissulaires modifiées, en particulier dans les os et la peau comme les tissus artificiels. Un autre polymère protéique courant est la soie, qui est dérivée du cocon des larves de teigne de la soie. La structure secondaire de cette protéine présente de vastes régions cristallines de feuillets bêta permettant une résistance et une flexibilité élevées. Comme pour le collagène, la soie est souvent utilisée comme composant structurel des tissus artificiels, généralement dans les tissus souples comme la peau et les muscles. Cependant, la soie est également coulée sous forme de film mince pour les dispositifs optiques ainsi que pour les substrats de dispositifs électriques. Le chitosane, un autre biopolymère, est le polysaccharide dérivé des carapaces de crustacés comme les crabes ou les homards. La solubilité du polymère est basée sur le pH. Cela permet de contrôler facilement les processus de fabrication en augmentant le pH pour solidifier le matériau. Le chitosane est souvent utilisé dans la cicatrisation des plaies en créant un film biocompatible avec les tissus régénérants.

Jetons maintenant un coup d’œil à certaines méthodes importantes utilisées pour manipuler ces biomatériaux. Tout d’abord, les biomatériaux sont souvent coulés sous forme d’hydrogel pour créer une structure hautement hydrophile avec une biocompatibilité accrue. Un hydrogel est un réseau de polymères de type solide à forte teneur en eau et est souvent utilisé comme construction tissulaire dans les tissus artificiels. Pour fabriquer un hydrogel avec du collagène, chauffez d’abord le polymère dans une solution aqueuse, comme un milieu de croissance, puis coulez la solution dans un moule. La solution est ensuite refroidie jusqu’à ce qu’elle soit solide. La réticulation UV peut également être utilisée pour améliorer la stabilité du gel en liant de manière covalente les résidus sur les chaînes polymères. Alternativement, des billes d’hydrogel peuvent être formées en ajoutant la solution polymère goutte à goutte à une solution de réticulation. Les billes sont ensuite utilisées pour stabiliser les cellules dans les protéines. Les biomatériaux peuvent également être utilisés pour former des tapis fibreux par électrofilage. Cette technique est réalisée en appliquant un champ électrique entre la surface d’un collecteur et l’extrémité d’une seringue contenant une solution de biopolymère. Cela induit la formation de fibres à l’échelle microscopique qui créent ensuite des structures qui imitent la matrice extracellulaire dans les tissus. Alternativement, des couches minces de biomatériaux peuvent être préparées par électrodéposition. Pour cela, un potentiel est appliqué à une cellule à deux électrodes contenant la solution de biomatériau. Le biomatériau migre vers l’une des électrodes en formant un film mince à la surface. Ces films minces peuvent être utilisés pour rendre une surface biocompatible, par exemple, pour stabiliser les enzymes assemblées en surface dans les cellules. Dans ce cas, une fine pellicule de chitosane stabilise l’enzyme glucose oxydase. De plus, les biomatériaux sont souvent coulés en solution sur une surface pour former un film mince. La solution est d’abord déposée sur un substrat puis séchée pour éliminer tout solvant. L’épaisseur du film est contrôlée à l’aide du volume et de la concentration de la solution.

Bien que les biomatériaux soient largement utilisés en bio-ingénierie, leur utilisation présente des défis inhérents. Tout d’abord, les biomatériaux possèdent des propriétés naturelles qui sont régies par leur source et leur structure moléculaire. Bien que ces matériaux puissent être exploités pour un large éventail d’applications, il peut être difficile de modifier leurs propriétés inhérentes. De plus, le traitement du matériau modifie ses propriétés, parfois de manière défavorable. Les biomatériaux sont dérivés de sources naturelles, qui peuvent varier en fonction de l’espèce de l’organisme et de facteurs environnementaux tels que la saison. Cela peut entraîner une variabilité d’un lot à l’autre qui entraîne de petites différences dans l’application finale. Enfin, la plupart des biomatériaux sont solubles dans l’eau, ce qui limite leur stabilité. Étant donné que certaines applications nécessitent que le matériau soit permanent, des techniques de réticulation ou de stabilisation peuvent être nécessaires pour prolonger leur durée de vie. Cependant, cela peut entraîner des modifications indésirables des propriétés mécaniques.

Les matériaux d’origine biologique sont utilisés dans un large éventail d’applications dans la recherche en bio-ingénierie. Tout d’abord, les biomatériaux sont fréquemment utilisés dans les applications d’administration de médicaments, car ils sont généralement biodégradables et biocompatibles. Par exemple, les hydrogels offrent une matrice biocompatible capable de contenir des molécules médicamenteuses sensibles. Ils se dégradent à un rythme prévisible en fonction des propriétés de la matière, permettant ainsi une libération contrôlée d’un médicament. Les biomatériaux ont été largement utilisés en médecine, en particulier avec les sutures en soie et avec les bandages et les adhésifs à base de chitosane pour la cicatrisation des plaies. Dans cet exemple, des films adhésifs chirurgicaux de chitosane ont été préparés avec un colorant de diagnostic médical. Ils ont ensuite été fusionnés sur le tissu coupé pour fermer la plaie comme alternative aux sutures. Un domaine en évolution du domaine des biomatériaux traite les protéines et autres biomolécules, comme l’ADN dans ce cas, comme des matériaux polymères. Pour cela, les brins d’ADN sont conçus avec une séquence spécifique qui induit le repliement précis du brin d’ADN en structures et motifs complexes appelés origami d’ADN. Ces structures peuvent ensuite être utilisées pour créer des assemblages fonctionnels capables de détecter des signaux biologiques, de changer de forme ou de libérer des biomolécules intégrées.

Vous venez de regarder l’aperçu de JoVE sur les matériaux d’origine biologique. Vous devriez maintenant comprendre les origines et les propriétés de plusieurs biomatériaux courants, certaines techniques utilisées en laboratoire pour les traiter et certains défis associés à leur utilisation. Merci d’avoir regardé.