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Hydrogel: l'avenir des "smart band-aids"

Un pansement peut ne plus jamais être le même; Des ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology ont mis au point le tout dernier modèle de pansement adhésif: un matériau collant, extensible, ressemblant à un gel qui peut incorporer des capteurs de température, des lumières LED et autres appareils électroniques, ainsi que de minuscules réservoirs et canaux.
Les nouveaux hydrogels sont très polyvalents.
Crédit d'image: Melanie Gonick / MIT.

Le "pansement intelligent" libère les médicaments au besoin, en réponse aux changements de température de la peau. Il peut même s’allumer si l’approvisionnement en médicaments est faible.

Le nouveau pansement s'étire avec le corps. Non seulement il reste en place lorsque l'utilisateur plie le genou ou le coude, mais ses structures et ses composants électroniques restent également intacts et fonctionnels lorsqu'ils sont étirés.

L'équipe qui a conçu et créé le nouveau pansement hydrogel a été dirigée par le professeur Xuanhe Zhao, du Département de génie mécanique du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

La recherche est publiée dans Matériaux naturels.

Qu'est ce qu'un hydrogel?

Les hydrogels sont présents dans divers produits quotidiens, des lentilles de contact souples et des préservatifs aux couches jetables. Le gel capillaire, le dentifrice et les cristaux d’eau végétale utilisent tous des hydrogels. Les hydrogels d'alginate associés à l'aloe vera fournissent un pansement qui maintient la plaie humide et permet la régénération des cellules.

Faits en bref sur les hydrogels
  • Dans l'industrie, les hydrogels sont utilisés dans les joints de cloison et le nettoyage des déchets
  • Les biens de consommation contenant des hydrogels comprennent le gel capillaire et les cosmétiques
  • Les applications médicales comprennent les lentilles de contact, la libération de médicaments, les guides nerveux, les revêtements, le gonflement des tissus et le remplacement des noyaux.

Gavin Braithwaite, du Cambridge Polymer Group à Boston, MA, note que les hydrogels sont hydrophiles, avec le potentiel de contenir 80% ou plus d'eau, perméables et permettant le transport de solutés. Ils peuvent également être viscoélastiques et lubrifiants. Ils sont également sensibles à l'environnement. Toutes ces propriétés les rendent multifonctionnelles.

Les hydrogels, qui remplissent déjà un large éventail de fonctions, rêvent d'un avenir prometteur, notamment en ce qui concerne la repousse de la moelle épinière, l'ingénierie des nerfs et des tissus et même la génération d'organes.

La structure de l'hydrogel est la clé de son succès. Ses liaisons croisées physiques ou chimiques avec des chaînes polymères hydrophiles lui permettent de contenir ou d’absorber de l’eau jusqu’à 99% de son volume.

Pour créer des hydrogels, les chaînes polymères qui forment leur base sont soit synthétisées chimiquement, soit dérivées de polymères naturels. Ceux-ci peuvent être des protéines, telles que le collagène et la gélatine, ou des polysaccharides, tels que l'amidon, l'alginate et l'agarose. Les sources naturelles d'hydrogels comprennent les coquilles de crevettes et les algues.

La teneur élevée en eau les rend souples, "mous" et flexibles, comme les lentilles de contact, ou très absorbantes, comme dans les couches pour bébés. Ils peuvent aussi être assez fragiles. Leurs caractéristiques dépendent de leur composition.

Les spécialistes des matériaux, qui ont vu depuis un certain temps le potentiel des hydrogels pour différentes applications, repoussent les limites de cette substance exceptionnelle.

Pansements Hydrogel

Les pansements hydrogel ne sont pas nouveaux, les premiers datant des années 1950. Cependant, les développements récents produisent des concepts révolutionnaires.


Les lentilles de contact souples et les pansements sont parmi les nombreuses utilisations médicales des hydrogels.

Les pansements hydrogel familiers comprennent des gels fluides disponibles dans des tubes et des sachets en aluminium, des préparations dans lesquelles l'hydrogel est saturé sur une compresse ou des bandes de gaze, ou une feuille de gel supportée par un mince filet de fibres.

Les pansements hydrogel apportent de l'humidité, favorisent la guérison et éliminent les tissus morts des plaies. La haute teneur en eau refroidit la plaie et soulage la douleur. Les hydrogels empêchent également le pansement de coller à la surface de la plaie.

Les hydrogels sont forts et flexibles, et ils peuvent être poreux, permettant la diffusion ou dense, en fonction de la composition. Ils peuvent être adaptés pour répondre aux différents besoins.

L'Université de Wollongong en Australie décrit les hydrogels comme «l'un des matériaux les plus biocompatibles de la planète». En effet, les corps animaux sont principalement composés d'hydrogels.

Les tissus du corps et les hydrogels synthétiques ont beaucoup en commun et les produits les plus récents ont des propriétés similaires aux tissus corporels, ce qui en fait un bon candidat pour une gamme croissante d'applications médicales.

L'année dernière, Nouvelles médicales aujourd'hui a rapporté le développement d'un hydrogel qui pourrait s'étirer comme la peau.

Les scientifiques ont travaillé pour exploiter ces propriétés, dans l’espoir de créer un «matériau intelligent» qui imitera les fonctions et les tissus biologiques.

Le nouvel hydrogel

En décembre 2015, l'équipe du MIT a annoncé la création d'un ensemble "d'hydrogels durs" contenant de 70 à 95% d'eau, présentant des "propriétés mécaniques extraordinaires".


Le pansement intelligent présente des caractéristiques novatrices.
Crédit d'image: Melanie Gonick / MIT

La nouvelle matrice d'hydrogel est hautement extensible, transparente et peut détecter les températures à différents endroits de la peau. Les scientifiques ont également incorporé un certain nombre de caractéristiques supplémentaires remarquables.

Pour permettre une libération prolongée du médicament, les scientifiques ont tracé des voies dans la matrice en insérant des tubes ou en perçant de minuscules trous. Ils ont également créé de petits réservoirs de médicaments et ajouté des capteurs de température, régulièrement espacés. Parmi les autres composants électroniques utilisés pour améliorer le matériau, citons les fils de titane conducteurs et les puces à semi-conducteurs.

Une fois testé, le système permettait aux médicaments simulés de traverser l'hydrogel et d'être livrés à la demande. Les capteurs ont permis au pansement de surveiller la température de la peau et de libérer des médicaments dans différentes parties du corps, au besoin, même lorsque le pansement était très tendu. Les capteurs peuvent également mesurer les signes vitaux.

Les lumières LED intégrées, qui fonctionnaient même lorsqu'elles étaient tendues sur le genou et le coude, indiquaient que les niveaux de médicament étaient bas dans les réservoirs.

Un fil de titane, encapsulé dans la matrice, formait un conducteur extensible transparent qui maintenait une conductivité électrique constante.

Le professeur Zhao explique pourquoi une matrice d'hydrogel pourrait être la clé de l'utilisation de l'électronique dans le contexte biomédical:

«Si vous souhaitez mettre l’électronique en contact étroit avec le corps humain pour des applications telles que la surveillance des soins de santé et l’administration de médicaments, il est hautement souhaitable de rendre les appareils électroniques souples et adaptables à l’environnement du corps humain. électronique hydrogel extensible Vous devez penser à la stabilité à long terme des hydrogels et des interfaces. "

La texture, la sensibilité et les capacités mécaniques du nouveau pansement intelligent permettent aux scientifiques de progresser vers des tissus biologiques artificiels qui imitent véritablement les fonctions de la nature.

Applications: présent et futur

Une utilisation immédiate du pansement, suggèrent les chercheurs, serait de traiter les brûlures ou d’autres affections dermatologiques.

La possibilité de libérer des médicaments spécifiques à partir de réservoirs spécifiques à la demande, en réponse à des réactions captées par les capteurs à partir d'emplacements spécifiques, et de le faire de manière cohérente au fil du temps, apporterait des avantages importants.

Nous avons demandé au professeur Zhao si le pansement intelligent serait personnalisable ou s'il devrait être acheté prêt à l'emploi.

Il nous a dit: "Le bandage intelligent actuel peut être programmé par des médecins ou des agents de santé, tels que le type et la dose de médicaments délivrés."

En termes de coût, il a déclaré: "Puisque les matériaux (hydrogels) et les dispositifs (capteurs) sont relativement peu coûteux, nous pensons que le système sera abordable."

Jusqu'à présent, le professeur Zhao nous a dit que la capacité thérapeutique du pansement n'avait pas été testée, mais l'équipe travaille actuellement sur des tests in vivo du dispositif à base d'hydrogel.

Dans la vidéo suivante, le professeur Zhao parle des propriétés du nouveau pansement hydrogel et de ce qu’il pourrait être utilisé pour:

Outre leur rôle de pansement superficiel, les scientifiques estiment que le matériau pourrait être utilisé pour délivrer des composants électroniques à l’intérieur du corps.

Le professeur Zhao a dit MNT:

"Les nouveaux appareils composés d’électronique intégrée à des hydrogels biocompatibles devraient trouver une large gamme d’applications dans le domaine biomédical."

La matrice pourrait être utilisée dans des implants, tels que des valves pour contrôler le flux de microfluides ou dans des microlentilles qui changeraient de forme. Les dispositifs d'implantation incorporant des hydrogels pourraient prendre en charge les systèmes de santé mobile, ou mHealth. MNT récemment rapporté sur le domaine croissant de la santé mobile.

Les capteurs de glucose existants ont tendance à déclencher une réaction immunitaire, qui recouvre le capteur de fibres denses, de sorte qu'il faut les remplacer souvent. L'équipe croit que le nouvel hydrogel pourrait être utilisé pour créer un produit plus robuste et durable.

De même, dit le professeur Zhao, le nouvel hydrogel pourrait améliorer l'efficacité des sondes neurales.

En assimilant le cerveau à «un bol de gelée», il fait remarquer que l'hydrogel possède des propriétés physiologiques similaires. Avec son potentiel mécanique, il pourrait être un candidat approprié pour les sondes neurales.

Plus avant, les hydrogels sont considérés comme des échafaudages potentiels pour de nouveaux tissus, voire comme base de nouveaux organes, dans ce que l'on appelle la médecine régénérative.

Cela impliquerait l'ensemencement ou l'encapsulation des cellules du tissu requis dans l'hydrogel. L'hydrogel serait alors injecté dans le corps, où il remplacerait le tissu endommagé et permettrait la livraison de nutriments. À mesure que les cellules se reproduisent, l'échafaud hydrogel se dégraderait et le nouveau tissu remplacerait l'ancien.

MNT récemment rapporté sur un hydrogel cristallin liquide avec la forme 3D qui a des propriétés similaires aux tissus mous.

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