Les matériaux de type gel qui peuvent être injectés dans le corps ont un grand potentiel de guérison des tissus blessés ou de création de tissus complètement nouveaux. De nombreux chercheurs travaillent au développement de ces hydrogels à des fins biomédicales, mais jusqu’à présent, très peu sont parvenus à la clinique.
Pour aider à guider le développement de ces matériaux, qui sont constitués de blocs de construction à l’échelle microscopique similaires à des LEGO spongieux, des chercheurs du MIT et de l’Université de Harvard ont créé un ensemble de modèles informatiques pour prédire la structure, les propriétés mécaniques et les performances fonctionnelles des matériaux. Les chercheurs espèrent que leur nouveau cadre pourrait faciliter la conception de matériaux moulables par injection pour une variété d’applications, qui jusqu’à présent était en grande partie un processus d’essais et d’erreurs.
“C’est vraiment excitant du point de vue du matériel et du point de vue des applications cliniques”, déclare Ellen Roche, professeure agrégée de génie mécanique à l’Institute for Medical Engineering and Science du MIT et auteur de l’article. “Plus généralement, c’est un excellent exemple de prise de données de laboratoire et de leur synthèse en quelque chose d’utilisable qui peut vous donner des conseils prédictifs qui peuvent être appliqués à des choses en dehors de ces hydrogels.”
Jennifer Lewis, professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie biologiquement inspirée à Harvard, est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans la revue Question. Connor Verheyen, étudiant diplômé du programme Harvard-MIT Health Sciences and Technology, est l’auteur principal de l’article.
Modélisation des matériaux
Lorsque des blocs d’hydrogel individuels sont densément emballés ensemble, ils forment un matériau semblable à un gel connu sous le nom de matrice granulaire. Ces matériaux peuvent agir comme un solide ou un liquide, selon les conditions, ce qui en fait de bons candidats pour des applications telles que la bioimpression 3D de tissus. Une fois injectés ou implantés dans le corps, ils pourraient libérer des médicaments ou aider à régénérer les tissus endommagés.
“Ces matériaux ont une grande flexibilité et adaptabilité, il y a donc un grand enthousiasme à les utiliser pour des applications biomédicales”, déclare Verheyen.
Alors qu’il travaillait dans le laboratoire de Lewis, Verheyen, qui est conseillé conjointement par Lewis et Roche, a commencé à essayer de comprendre comment rendre ces matériaux fiables pour l’injection. Cela s’est avéré être une tâche difficile qui a nécessité une expérimentation approfondie par essais et erreurs, modifiant les différentes caractéristiques des gels dans l’espoir d’optimiser leur structure et leur comportement mécanique pour l’injectabilité.
“Cela a stimulé les efforts pour prendre des données empiriques, les transformer en quelque chose qu’une machine pourrait lire et utiliser, puis créer une carte prédictive que nous pourrions examiner pour nous aider à comprendre ce qui se passe et comment passer à l’étape suivante”, a-t-il déclaré. . .
Pour créer leur cadre de conception, les chercheurs ont décomposé le processus d’assemblage en plusieurs étapes. Ils ont modélisé chacune de ces étapes séparément, en utilisant les données de leurs propres expériences, qui ont été réalisées dans une gamme de conditions différentes.
Dans la première étape, le modèle a analysé comment les propriétés des bioblocs sont affectées par le matériau de départ des blocs et comment ils sont assemblés. Dans une deuxième étape, les bioblocs sont assemblés pour former des structures appelées “hydrogels granulaires”. Grâce à leur modélisation, les chercheurs ont identifié plusieurs facteurs qui affectent l’injectabilité du gel final, notamment la taille et la rigidité des bioblocs, la viscosité du liquide interstitiel entre les blocs et les dimensions de l’aiguille et de la seringue utilisées pour injecter le gel. . . .
Meilleur injectabilité
Maintenant qu’ils ont modélisé le processus du début à la fin, les chercheurs peuvent utiliser leur modèle pour prédire la meilleure façon de créer un matériau avec les caractéristiques dont ils ont besoin pour une application particulière, plutôt que de passer par un processus de conception approfondi. essais et erreurs pour chaque nouveau matériau.
« Notre objectif à long terme était d’arriver au point où nous avions des propriétés d’injection fiables et prévisibles, car c’était quelque chose avec lequel nous avions vraiment du mal en laboratoire : faire en sorte que ces matériaux s’écoulent correctement », explique Verheyen.
Lui et d’autres du laboratoire Roche prévoient maintenant d’utiliser cette approche de modélisation pour essayer de développer des matériaux qui pourraient être utilisés pour des applications médicales telles que la réparation des malformations cardiaques ou l’administration de médicaments au tractus gastro-intestinal.
Les chercheurs ont également rendu leurs modèles et les données qu’ils ont utilisés pour les générer disponibles en ligne pour que d’autres laboratoires puissent les utiliser.
“Tout est open source, et j’espère que cela réduira la frustration que vous pourriez rencontrer en reproduisant quelque chose qui s’est passé dans un autre laboratoire, ou même au sein d’un laboratoire lorsque vous transférez des connaissances d’une personne à une autre”, déclare Roche.
La recherche a été financée par le Vannevar Bush Faculty Fellowship Program, la National Science Foundation et une subvention du MathWorks Seed Fund.
