Comment les sphères deviennent des vers : Percée de la spectroscopie RMN
Une forme jusqu'alors inconnue de formation d'hydrogel a été élucidée : des chimistes ont découvert des interactions inhabituelles entre les polymères.
Les hydrogels ? De nombreuses personnes utilisent ces substances sans le savoir. En tant que superabsorbants dans les couches, par exemple, les hydrogels absorbent beaucoup de liquide. Au cours du processus, le matériau initialement sec devient semblable à de la gelée, mais il ne mouille pas. Certaines personnes placent le matériau gonflable sur leurs globes oculaires - les lentilles de contact souples sont également des hydrogels. Il en va de même pour la gelée et d'autres matériaux courants.
Des interactions spécifiques font que les nanoparticules sphériques de polymères se réarrangent en structures vermiformes pendant le refroidissement. L'hydrogel qui en résulte se dissout à nouveau lorsqu'il est chauffé.
Theresa Zorn, University of Würzburg
Les hydrogels jouent également un rôle en science. D'un point de vue chimique, il s'agit de longues molécules de polymères réticulées en trois dimensions qui forment des cavités. À l'intérieur, elles peuvent absorber et retenir des molécules d'eau.
Le groupe de travail de Robert Luxenhofer, ancien professeur de chimie à Würzburg, teste l'aptitude des hydrogels à la biofabrication : Par exemple, les hydrogels peuvent être utilisés pour l'impression 3D comme structures d'échafaudage, sur lesquelles des cellules peuvent être fixées. De cette manière, des tissus artificiels peuvent être produits pour la recherche médicale et les thérapies régénératives.
La formation des hydrogels : un casse-tête
Au cours de ces recherches, le Dr Lukas Hahn, de l'équipe de Luxenhofer, a remarqué une forme inhabituelle de formation d'hydrogel. Il l'a observée dans des polymères destinés à la nanomédecine, plus précisément à l'administration de médicaments.
Ces polymères s'organisent en nanoparticules sphériques dans l'eau à 40 degrés. Lorsque l'eau est refroidie à moins de 32 degrés, les sphères se regroupent en structures vermiformes et un gel se forme. Lorsqu'il est chauffé, il se dissout à nouveau.
"Ce comportement est très rare dans les polymères synthétiques et était totalement inattendu", explique Robert Luxenhofer, qui enseigne et fait de la recherche à l'université d'Helsinki. Lorsqu'elle se produit, la formation du gel est généralement due à des liaisons hydrogène - des forces d'attraction entre des groupes fonctionnels polaires impliquant des atomes d'hydrogène qui ont un effet stabilisateur. Ces interactions sont d'une importance capitale pour la structure et la fonction des protéines, par exemple.
Il en va tout autrement des polymères dont il est question ici. Leur structure chimique ne leur permet pas de former des liaisons hydrogène entre eux. Apparemment, les chercheurs sont tombés sur un mécanisme inconnu de formation des gels.
Une percée grâce à la spectroscopie RMN
Pour résoudre cette énigme, Robert Luxenhofer a cherché à coopérer avec Ann-Christin Pöppler, professeur de chimie à l'université Julius-Maximilians de Würzburg (JMU), experte dans la caractérisation des nanoparticules composées de polymères. En collaboration avec d'autres groupes de recherche, son équipe a examiné de plus près la forme particulière de formation du gel - un casse-tête complexe qui a pris deux ans à résoudre.
"Nous avons pu élucider le mécanisme inconnu grâce à l'utilisation d'une grande variété d'outils analytiques. En fin de compte, c'est la spectroscopie RMN qui nous a permis de faire une percée", explique la chimiste de l'université JMU. Sa doctorante Theresa Zorn a découvert ce qui conduit à la formation d'un gel dans ce cas : des interactions spécifiques entre les groupes amides des polymères solubles dans l'eau et les anneaux phényles des polymères non solubles dans l'eau. Ces interactions provoquent la condensation des nanoparticules sphériques et leur restructuration en structures vermiformes.
Ces résultats ont pu être confirmés par des calculs théoriques : Le Dr Josef Kehrein, ancien doctorant du professeur Christoph Sotriffer, expert en modélisation assistée par ordinateur des interactions tridimensionnelles entre molécules, y est parvenu. Lui aussi travaille désormais à Helsinki.
Les résultats ont été publiés dans ACS Nano, une revue de l'American Chemical Society (ACS). La Fondation allemande pour la recherche (DFG), l'Académie de Finlande et d'autres bailleurs de fonds ont financé les travaux.
Quelles sont les étapes suivantes de la recherche ?
Quelle est la suite des opérations ? Les chercheurs sont convaincus que le mécanisme de formation des hydrogels récemment découvert s'applique également à d'autres polymères et à leurs interactions avec les tissus biologiques.
C'est pourquoi l'équipe souhaite modifier chimiquement les polymères pour voir comment cela affecte leurs propriétés et l'hydrogel. Il pourrait être possible d'influencer spécifiquement la température de gélification ainsi que la force et la durabilité du gel. Parmi les matériaux modifiés, on pourrait sélectionner ceux qui conviennent le mieux à la biofabrication.
Financée par l'Universitätsbund Würzburg, l'équipe d'Ann-Christin Pöppler souhaite également étudier la possibilité de charger les nanoparticules, et donc l'hydrogel, avec des "molécules invitées". Cela pourrait être intéressant pour des applications médicales - si le gel se dissout à la température du corps, il pourrait libérer les substances actives dont il a été préalablement chargé. Des applications sous forme d'implants, de pansements ou de lentilles de contact sont envisageables.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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