Les matériaux de form gel qui peuvent être injectés dans le corps ont un grand potentiel pour guérir les tissus blessés ou fabriquer des tissus entièrement nouveaux. De nombreux chercheurs travaillent au développement de ces hydrogels à des fins biomédicales, mais jusqu’à présent, très peu sont parvenus à la clinique.
Pour aider à guider le développement de ces matériaux, qui sont fabriqués à partir de blocs de building 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 framework, 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 kinds d’applications, ce qui jusqu’à présent était principalement un processus d’essais et d’erreurs.
“C’est vraiment excitant d’un stage de vue matériel et d’un issue de vue d’application clinique”, déclare Ellen Roche, professeur agrégé de génie mécanique, membre de l’Institute for Health care Engineering and Science du MIT et auteur de l’article. “Additionally 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.”
Jennifer Lewis, professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie biologiquement inspirée à Harvard, est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans la revue Subject. Connor Verheyen, étudiant diplômé du programme Harvard-MIT en sciences et systems de la santé, est l’auteur principal de l’article.
Modélisation des matériaux
Lorsque des blocs d’hydrogel individuels sont densément compactés ensemble, ils forment un matériau semblable à un gel connu sous le nom de matrice granulaire. Ces matériaux peuvent agir comme un solide ou un liquide, selon les ailments, ce qui en fait de bons candidats pour des applications telles que les tissus d’ingénierie 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 ont beaucoup de flexibilité et de personnalisation, il y a donc beaucoup d’enthousiasme à les utiliser pour des purposes 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 remark 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 composition et leur comportement mécanique pour l’injectabilité.
“Cela a stimulé l’effort pour prendre les données empiriques, les transformer en quelque chose qu’une equipment pourrait lire et utiliser, puis lui demander de créer une carte prédictive que nous pourrions interroger pour nous aider à comprendre ce qui se passait et remark aller à 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 situations différentes.
Dans la première étape, le modèle a analysé comment les propriétés des bioblocs sont affectées par le matériau de départ des blocs et remark ils sont assemblés. Dans la deuxième étape, les bioblocs sont emballés ensemble 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..
Meilleur 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 software particulière, au lieu de passer par un vaste processus d’essais et d’erreurs pour chaque nouveau matériau.
“Notre objectif à prolonged terme était d’arriver au issue où nous avions des propriétés d’injection fiables et prévisibles, automobile c’était quelque chose avec lequel nous avons vraiment lutté en laboratoire – faire en sorte que ces matériaux s’écoulent correctement”, explique 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 purposes médicales telles que la réparation des malformations cardiaques ou l’administration de médicaments au tractus gastro-intestinal.
Les chercheurs ont également rendu leurs modèles et les données qu’ils ont utilisés pour les générer disponibles en ligne pour que d’autres laboratoires puissent les utiliser.
“Tout est open resource, et j’espère que cela réduira la stress que vous pourriez rencontrer en reproduisant quelque selected 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.
La recherche a été financée par le Vannevar Bush School Fellowship Method, la Countrywide Science Basis et une subvention du MathWorks Seed Fund.