Hydrogels autoassemblés imprimables pour l'ingénierie tissulaire obtenus à partir de molécules amphiphiles biosourcées – SELFAMPHI

Pour le point 1, nous utilisons des bioamphiphiles sélectionnés pour préparer des hydrogels. Notre objectif est de trouver les conditions optimales pour former des hydrogels dans divers milieux aqueux, de comprendre leur structure et leur formation, d'établir un protocole reproductible de leur synthèse, de tester l'effet de paramètres physico-chimiques et de caractériser leurs propriétés mécaniques préliminaires. Nous utilisons la rhéologie, le SAXS et la rhéologie couplée au SAXS pour étudier les propriétés et la structure des hydrogels.

Pour le point 2, nous étudions l'écoulement des hydrogels et une éventuelle impression 3D. Notre premier objectif est de comprendre les mécanismes d'écoulement, de fluidification et de gélification de ces hydrogels. La réactivité aux stimuli (pH, salin, thermique, photonique…) est testée in-situ ainsi que le contrôle des paramètres critiques du procédé (séchage, réticulation, thixotropie, fluidification sous flux…). La résistance mécanique, la résolution, l'adhérence et la stabilité temporelle des structures seront optimisées. L'impression 3D sera la deuxième cible.

Au point 3, des hydrogels stables seront utilisés pour des expériences de cytotoxicité et d'ingénierie tissulaire.

Nous avons trouvé que deux molécules forment des gels de manière reproductible. Le premier forme des hydrogels à pH basique au-dessus de 7.5. Les gels présentent des propriétés mécaniques importantes, avec des modules élastiques de l’ordre du kPa, voir plus en fonction de la concentration (jusqu’ù 5 wt%). Les gels sont stables dans le temps et en température jusqu’à 60-80°C, selon le système. Nous avons étudié la structure des gels et il en résulte un système fibrillaire inattendu. Nous avons identifié deux mécanismes subjacents la formation des gels. Nous avons aussi identifié un autre système qui gélifie en fonction de la température en dessous de 30°C, ce qui est tout à fait intéressant pour l’impression 3D.

Nous avons réussi à contrôler les propriétés élastiques d’hydrogels de biopolymères par l’ajout de phases différentes de biotensioactif autoassemblé. L’ajout de la phase fibrillaire génère toujours une augmentation des propriétés élastiques par rapport au biopolymère seul, alors que l’ajout d’une phase micellaire ou vésiculaire réduit les propriétés élastiques du biopolymère.

L'étude des mécanismes a été réalisés en combinant plusieurs techniques sur différents synchrotrons (Soleil, ESRF). Nous avons réalisé plusieurs séances, dont certaines en combinant rhéologie et SAXS. Dans leur ensemble, les résultats sont très prometteurs pour la suite du projet.

Le travail ci-dessus a donné lieu à la rédaction de 8 articles (6 par A. Poirier et 2 par C. Seyrig), qui sont entièrement rédigés et soumis au moment de la rédaction de ce rapport dans des journaux internationaux à comité de lecture.

Le travail au LRP s’est focalisé sur l’utilisation d’un polymère associatif «HASE« comme système modèle pour l'impression 3D. C'est un copolymère d'acide méthacrylique, de méthacrylate contenant des groupements hydrophobes pendants, qui se présente sous forme d’émulsion à pH acide et comme polymère associatif à pH basique. Le comportement viscoélastique du gel a été étudié en régime linéaire puis en fonction du taux de cisaillement. Pour cela, des mesures couplées oscillation/cisaillement ont été utilisées pour suivre la transition entre comportement visqueux et élastique en fonction du taux de cisaillement. Les résultats suggèrent l'absence de véritable contrainte seuil d'écoulement dans ces gels. La dynamique de restructuration suite à une déstructuration par cisaillement a été étudiée, ce qui montre que la première phase de structuration est rapide avec un temps caractéristique inférieur à 40 ms, suivi d'une légère thixotropie. Dans une deuxième phase, les résultats de rhéologie ont été confrontés aux résultats d'impression 3D, ce qui montre que la contrainte seuil d'écoulement est cruciale dans la stabilité des structures imprimées.

Dans un deuxième temps, la formation de gels par association entre des tensioactifs et le polymère associatif (HASE) a été étudiée en utilisant des tensioactifs non ioniques et des biotensioactifs.

Pendant les 18 premiers mois, lnous pouvons mettre en valeur ce qui suit.

1) Un certain nombre de composés déclenche la gélification d’un glycolipide, la particularité étant que ce même glycolipide n’est pas sensé gélifier selon le mécanisme et la structure observés.
2) La structure du gel observéeest tout à fait particulière, combinant l’enchevêtrement classiquement observés au sein de gels fibrillaires, avec la formation de radeaux lamellaires, jamais observés pour cette classe de gels.
3) Sur un autre glycolipide, nous avons mis en évidence un mécanisme de gélification fortement relié à la conformation moléculaire. Nous avons pu constater l’effet de la température et les valeurs précises à laquelle la gélification est reproductible.
4) Nous avons mis en évidence une nouvelle application potentielle dans le domaine de la dépollution des eaux
5) Nous avons mis en évidence comment la présence d’un glycolipide puisse contrôler les propriétés d’un biopolymère.
6) L’ensemble de 1) à 5) fait l’objet de plusieurs publications scientifique (8), entièrement rédigées et soumises au moment de la rédaction de ce rapport.
7) L’ensemble de 1) à 5) a été présenté par le biais d’un poster au colloque « Lipides et cosmétique », Bordeaux 2022, et primé par le prix de la meilleure innovation scientifique.
8) Nous avons compris le rôle des différents aspects de la rhéologie des hydrogels modèles dans l'impression 3D et la stabilité des structures imprimées.
9) Nous avons compris le rôle de la nature des tensioactifs et biotensioactifs sur le processus de gélification des polymères associatifs, leur rhéologie et leur impression 3D.

1. Seyrig C, Kignelman G, Thielemans W, Griel P Le, Cowieson N, Perez J, et al. Stimuli-induced non-equilibrium phase transitions in polyelectrolyte-surfactant complex coacervates. Langmuir. 2020;36:8839–8857.
hal.archives-ouvertes.fr/hal-02905979v1
2. Seyrig C, Griel P Le, Cowieson N, Perez J, Baccile N. Synthesis of multilamellar walls vesicles polyelectrolyte-surfactant complexes from pH-stimulated phase transition using microbial biosurfactants. J Colloid Interface Sci. 2020;580:493–502.
hal.archives-ouvertes.fr/hal-02905980v1
3. Ba AA, Everaert J, Poirier A, Griel P Le, Soetaert W, Roelants SLKW, et al. Synthesis and self-assembly of aminyl and alkynyl substituted sophorolipids. Green Chem. 2020;22:8323–36.
hal.archives-ouvertes.fr/hal-02959194v1
4. Laquerbe S, Carvalho A, Schmutz M, Poirier A, Baccile N, Ben Messaoud G. pH-Switchable Pickering Emulsions Stabilized by Biosurfactant-Polyelectrolyte Complex Coacervate Colloids. J Colloid Interface Sci. 2021;600:23–36.
hal.archives-ouvertes.fr/hal-03149204v1
5. Baccile N, Seyrig C, Poirier A, Castro SA, Roelants SLKW, Abel S. Self-assembly, interfacial properties, interactions with macromolecules and molecular modelling and simulation of microbial bio-based amphiphiles (biosurfactants). A tutorial review. Green Chem. 2021;23:3842–944.
hal.archives-ouvertes.fr/hal-03174562v2

Les tensioactifs biologiques sont des molécules naturelles obtenues par fermentation d’acides gras et sucres. Ces composés, développés par un procédé à faible impact environnemental, ont une faible toxicité et une haute biodégradabilité. Sophorolipides et glucolipides sont parmi molécules les plus importantes. Développés comme détergents biodégradables, le rapport coût/bénéfice élevé stimule le développement pour des applications haut de gamme. Des travaux récents montrent leurs propriétés d'autoassemblage en fibrilles et bicouches, formant des hydrogels sensibles aux stimuli et au cisaillement. Ces matériaux sont une alternative intéressante aux matrices couramment utilisées dans l'ingénierie tissulaire, aujourd’hui caractérisées par des problèmes de contamination, pureté, faible adhésion cellulaire et coût. L'objectif de SELFAMPHI est d'utiliser des amphiphiles biocompatibles pour développer des hydrogels injectables et imprimables pour des applications en ingénierie tissulaire (réparation du disque intervertébral et cicatrisation des plaies)