Pour aider à guider le développement de ces matériaux, qui sont fabriqués à partir de blocs de construction à l’échelle microscopique semblables à des LEGO spongieux, les 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 du matériau. Les chercheurs espèrent que leur nouveau cadre pourrait faciliter la conception de matériaux pouvant être injectés pour différents types d’applications, ce qui jusqu’à présent était principalement un processus d’essais et d’erreurs.

« C’est vraiment excitant d’un point de vue matériel et d’un point de vue d’application clinique », déclare Ellen Roche, professeure agrégée de génie mécanique et membre de l’Institute for Medical Engineering and Science du MIT. « Plus généralement, c’est un bel exemple de prise de données de laboratoire et de leur synthèse en quelque chose d’utilisable qui peut vous donner des directives prédictives qui pourraient être appliquées à des choses au-delà de ces hydrogels. »

Roche et Jennifer Lewis, professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie biologiquement inspirée à Harvard, sont les auteurs principaux de l’étude, qui apparaît dans la revue Matière. Connor Verheyen, étudiant diplômé du programme Harvard-MIT en sciences et technologie de la santé, est l’auteur principal de l’article.

Modélisation des matériaux

Lorsque des blocs d’hydrogel individuels sont densément compactés, ils forment un matériau semblable à un gel connu sous le nom de matrice granulaire. Selon les conditions, ces matériaux peuvent agir comme un solide ou un liquide, ce qui en fait de bons candidats pour des applications telles que les tissus modifiés par bioimpression 3D. Une fois injectés ou implantés dans le corps, ils pourraient libérer des médicaments ou aider à régénérer les tissus lésés.

« Ces matériaux sont très flexibles et personnalisables, il y a donc beaucoup d’enthousiasme à les utiliser pour des applications biomédicales », déclare Verheyen.

Alors qu’il travaillait dans le laboratoire de Lewis, Verheyen, qui est co-conseillé par Lewis et Roche, a commencé à essayer de comprendre comment faire en sorte que ces matériaux soient injectables de manière fiable. Cela s’est avéré être une tâche difficile qui a nécessité de nombreuses expérimentations par essais et erreurs, en modifiant différentes caractéristiques des gels dans l’espoir d’optimiser leur structure et leur comportement mécanique pour l’injectabilité.

«Cela a stimulé l’effort de prendre les données empiriques, de les transformer en quelque chose qu’une machine pourrait lire et utiliser, puis de lui demander de créer une carte prédictive que nous pourrions interroger pour nous aider à comprendre ce qui se passait et comment y aller. la prochaine étape », dit-il.

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 variété 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 la deuxième étape, les bioblocs sont regroupés pour former des structures appelées « hydrogels granulaires ». Grâce à leur modélisation, les chercheurs ont identifié plusieurs facteurs qui influencent 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. .

Mieux 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, au lieu de passer par un vaste processus d’essais et d’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 avons vraiment eu du mal en laboratoire – faire en sorte que ces matériaux s’écoulent correctement », déclare Verheyen.

Lui et d’autres dans le laboratoire de 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 fait leurs modèles et les données qu’ils ont utilisées pour les générer disponible en ligne pour d’autres laboratoires à 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.

Écrit par Anne Trafton

Source: Massachusetts Institute of Technology