Les matériaux de type gel qui peuvent être injectés dans le corps ont un grand potentiel de cicatrisation des tissus endommagés ou de création de tissus entièrement 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 au développement de ces matériaux, qui sont constitués de blocs de construction à micro-échelle similaires aux LEGO mous, des chercheurs du MIT et de l’Université de Harvard ont créé une suite de modèles informatiques pour prédire la structure, les propriétés mécaniques et les caractéristiques fonctionnelles du matériau. Les chercheurs espèrent que leur nouvelle structure pourra faciliter le développement de matériaux de moulage par injection pour différents types d’applications, ce qui jusqu’à présent a été 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 adjointe de génie mécanique, chercheuse à l’Institute of Medical Engineering and Science du MIT et auteur de l’article. “Plus généralement, il s’agit d’un excellent exemple de synthèse de données de laboratoire en quelque chose d’utile qui peut vous donner des conseils prédictifs qui peuvent être appliqués à des choses au-delà de ces hydrogels.”
Jennifer Lewis, professeur Hansjörg Wies d’ingénierie biologiquement inspirée à Harvard, est l’auteur principal de l’étude, qui est publiée aujourd’hui dans la revue Question. Conor Verheijen, étudiant diplômé du programme MIT de Harvard en sciences et technologies de la santé, est l’auteur principal de l’article.
Modélisation des matériaux
Lorsque les blocs d’hydrogel individuels sont étroitement emballés, ils forment un matériau semblable à un gel connu sous le nom de matrice granulaire. Ces matériaux peuvent agir sous forme de solides ou de liquides, 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 peuvent libérer des médicaments ou aider à réparer les tissus endommagés.
“Ces matériaux ont une grande flexibilité et une grande adaptabilité, leur utilisation dans des applications biomédicales est donc très intéressante”, déclare Verheijen.
Travaillant dans le laboratoire de Lewis, Verheijen, qui est conseillé conjointement par Lewis et Roche, a commencé à essayer de comprendre comment rendre ces matériaux sûrs pour l’injection. Cela s’est avéré être une tâche difficile qui a nécessité une expérimentation approfondie par essais et erreurs, faisant varier les différentes caractéristiques des gels dans l’espoir d’optimiser leur structure et leur comportement mécanique pour l’injectabilité.
“Cela a stimulé un effort pour prendre des données empiriques, les transformer en quelque chose qu’une machine peut lire et utiliser, puis créer une carte prédictive que nous pourrions interroger pour nous aider à comprendre ce qui se passait et comment. passer à l’étape suivante », a-t-il déclaré.
Pour créer la structure du design, 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 menées dans des 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 des simulations, 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 la taille de l’aiguille et de la seringue utilisées pour injecter le gel. . .
meilleur injectable
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 nécessaires à une application spécifique, au lieu de passer par un processus de conception approfondi. chaque nouveau matériau.
“Notre objectif à long terme était d’arriver à un point où nous disposions de propriétés d’injection fiables et prévisibles, car c’était ce avec quoi nous luttions vraiment en laboratoire – faire en sorte que ces matériaux s’écoulent correctement”, explique Verheijen.
Lui et d’autres au laboratoire Roche prévoient maintenant d’utiliser cette approche de modélisation pour essayer de développer des matériaux qui pourraient être utilisés à des fins médicales, telles que la réparation de 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 créer disponibles en ligne pour une utilisation dans d’autres laboratoires.
“Tout est open source, et j’espère que cela réduira la frustration que vous pourriez avoir à reproduire quelque chose qui s’est passé dans un autre laboratoire, ou même dans un laboratoire lors du transfert de connaissances de quelqu’un d’autre”, déclare Roche.
La recherche a été financée par le programme de bourses d’enseignement Vannevar Bush, la National Science Foundation et une subvention du MathWorks Seed Fund.
