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

Tout d'abord, nous avons testé les propriétés d'hydrogélation de nombreux amphiphiles biosourcés, l'objectif étant 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 avons utilisé de la rhéologie, la diffusion des rayons-X aux petits angles (SAXS) et la rhéologie couplée au SAXS pour étudier les propriétés et la structure des hydrogels.

Ensuite, nous avons étudé 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…) a été 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 doivent être optimisées. L'impression 3D a été aussi testée suite à la validation des propriétés de fluidification.

In fine, la cytotoxicité en présence de cellules NHDF a été testée pour les molécules produisant des hydrogels stables.

Au LCMCP, 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 forme des hydrogels en fonction de la température en dessous de 30°C, ce qui est tout à fait intéressant pour l’impression 3D.

L'étude des mécanismes a été réalisée en combinant plusieurs techniques sur différents synchrotrons (Soleil, ESRF). Nous avons réalisé plusieurs séances, dont certaines en combinant rhéologie et SAXS.

Le LRP a ensuite mené une analyse approfondie des propriétés rhéologiques des hydrogels à l’aide de divers outils rhéométriques. Les travaux ont évalué les propriétés viscoélastiques, la rhéofluidification, les seuils d’écoulement et la thixotropie des hydrogels sur une large gamme de compositions, concentrations et méthodes de préparation. Ces recherches ont permis d’optimiser les conditions de formulation et de préparation pour une imprimabilité 3D optimale, tout en démontrant l’importance du vieillissement des hydrogels sur leur stabilité et leur comportement en impression 3D.

Les mesures de cytotoxicité ont été effectuées avec l’ensemble des surfactants microbiens étudiés. Une cytotoxicité significative a été observée, quel que soit le traitement, pour des concentrations supérieures à 1 % (w/v) après seulement 24 heures de culture. En revanche, aucune cytotoxicité n’a été observée des concentrations inférieures à 0,01 % (w/v). Dans l'intervalle de concentrations intermédiaire (1-0,01 % w/v), une cytotoxicité significative a été observée pour certaines molécules seulement. L’évaluation complémentaire de la cytotoxicité a été réalisée sur des cellules NHDF traitées pendant 24 et 48 heures. Le travail montre les molécules sont cytotoxiques pour les cellules NHDF à des concentrations au-delà de 1 %. Il est à noter que les concentrations non cytotoxiques sont en deçà des concentrations de surfactants pouvant former des gels. Cela a limité la suite de l’étude et ouvre des perspectives quant à l’utilisation de ces molécules sous forme de composite.

Ces travaux ont essentiellement exploré la famille des glycolipides. Cependant, il existe d'autres bioamphiphiles, comme les peptides cycliques. Il serait très intéressant de connaitre leurs propriétés de formation d’hydrogels, si elles existent. En effet, les peptides peuvent avoir des propriétés d'adhésion et de reconnaissance biomoléculaire intéressantes, ce qui signifie que les hydrogels amphiphiles de peptides microbiens pourraient avoir un potentiel encore plus marqué dans le domaine biomédical. À l'heure actuelle, il n'existe aucune information sur l'hydrogélation potentielle des amphiphiles peptidiques microbiens.

Concernant les propriétés des hydrogels découverts lors de ce projet, il serait intéressant d’augmenter leur propriétés élastiques, en intégrant par exemple des agents de renforcement tels que les nanocristaux de cellulose ou en développant des réseaux interpénétrés mixtes avec des biopolymères. Cette approche permettrait de réduire la concentration initiale de LMWG ainsi que le temps nécessaire à la maturation et à la stabilisation des interactions, tout en obtenant des matériaux imprimables avec des propriétés mécaniques améliorées. Par ailleurs, une autre perspective consiste à optimiser le processus afin de rendre possible l’impression directe des structures in situ, garantissant une meilleure homogénéité et un gain d’efficacité.

In fine, compte-tenu de la potentielle toxicité des hydrogels fabriqués à partir des amphiphiles biosourcés étudiés dans ce projet, il faudra tout d’abord étudier la dégradabilité in vitro des hydrogels et tester la toxicité des molécules libérées. Une étude in vivo pourra être également réalisée chez le rat. Pour ce faire, une implantation sous cutanée devra être réalisée et l’inflammation autour de l’implant étudiée. Le développement d’hydrogels renforcés ou interpénétrés serait aussi une approche intéressante pour réduire la cytotoxicité intrinsèque de la matrice.

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.
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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.
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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.
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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.
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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)