Un pas de plus vers les échafaudages "Design on Demand" pour la régénération des tissus | Article de nouvelles

La structure des gels polymériques réticulés est très similaire à celle des tissus mous, raison pour laquelle la compréhension de ce matériau est si essentielle, selon Kelly Schultz, professeur assistant en génie chimique et biomoléculaire.

Schultz faisait partie d'une session spéciale de la réunion annuelle de l'AIChE (American Institute of Chemical Engineering) à Pittsburgh le mois dernier, où elle avait été invitée à présenter le travail de son laboratoire visant à déterminer comment l'augmentation des concentrations de polymères en solution modifie la structure des gels réticulés. . Le titre de la session était "Avenir du journal AIChE: nouvelles orientations dans la recherche en génie chimique".

L’intervention de Schultz s’appuie sur un article qu’elle a rédigé en tant qu’invitée à la première conférence d’AIChE intitulée «Futures Issues», destinée à mettre en valeur le travail des chercheurs en début de carrière. Le papier, co-écrit par son ancien doctorat Matthew Wehrman, étudiant, et quatre étudiants de Lehigh, est intitulé "Propriétés rhéologiques et structure des gels de croissance en chaîne et en chaîne concentrés au-dessus de la concentration de chevauchement."

«L'augmentation de la concentration en polymères leur permet d'interagir», dit Schultz. "Ces interactions peuvent modifier la structure du matériau et même potentiellement l'affaiblir."

Grâce à des expériences, elle et son équipe ont découvert que la structure des gels polymères réticulés était indépendante de la concentration jusqu'à ce qu'une limite soit atteinte, appelée concentration de chevauchement, à laquelle les polymères commencent à interagir. Après cette limite, la structure est à nouveau indépendante de la concentration.

La découverte centrale du groupe est que plus de polymères ne signifie pas nécessairement que le gel sera plus élastique ou plus rigide.

«C'était inattendu», dit Schultz. "Nous pensions qu'il y aurait un changement progressif dans la structure de l'échafaudage, mais il y a un changement graduel lorsque ces interactions deviennent suffisamment élevées."

L’identification de cette caractéristique pourrait revêtir une importance particulière pour les applications industrielles, car les travaux de l’équipe montrent que ces structures de gel polymériques réticulées peuvent être obtenues avec une plus petite quantité de polymère.

«En d’autres termes, dit Schultz, vous pouvez obtenir le résultat souhaité avec le moins de matériau possible».

Les travaux de Schultz sur ce sujet sont nouveaux en raison de la façon dont son équipe a examiné les échafaudages à fortes concentrations en polymère – ou avec des interactions polymères. La plupart des études, dit-elle, restent sous la concentration de chevauchement afin que les interactions des polymères ne compliquent pas la gélification.

«Grâce à ce travail, les ingénieurs chimistes peuvent commencer à comprendre comment les interactions polymères modifient la structure du gel et comment accéder à ces structures à des concentrations de polymère relativement faibles», explique Schultz.

L’équipe a utilisé une technique appelée microrhéologie du suivi des particules multiples (MPT) pour mesurer la gélification de ces échafaudages hydrogels polymères. Cette technique utilise la microscopie vidéo pour capturer le mouvement thermique des particules de sonde incorporées. À partir du mouvement thermique, ils peuvent déterminer les propriétés du matériau. En combinant MPT et une technique d'analyse, la superposition à durcissement temporel, ils ont pu déterminer le temps de gélification et la structure du matériau au point de gélification, moment où le premier échantillon couvrant le réseau se forme.

Une étoile qui continue de monter

En 2016, Schultz a été reconnue comme l'une des étoiles montantes de l'ingénierie par la prestigieuse National Academy of Engineering (NAE). La NAE a proposé à Schultz – l’un des 83 ingénieurs de l’industrie, du monde universitaire et du gouvernement sélectionnés pour l’impact de leur travail – de participer au 22e symposium annuel de la NAE sur les frontières américaines de l’ingénierie (USFOE).

L'année dernière, elle a reçu un prix CAREER décerné par la National Science Foundation (NSF) pour explorer un domaine prometteur des biomatériaux et de la biologie cellulaire qui utilise des cellules souches mésenchymateuses humaines encapsulées dans des hydrogels pour améliorer la motilité cellulaire et, ensuite, la livraison de cellules si est implanté dans une plaie.
Le travail de Schultz dans ce domaine a récemment fait la couverture de Bulletin de rhéologie (Volume 87 Numéro 2, juillet 2018), publié deux fois par an par la Society of Rheology (SOR).

Selon la publication, la couverture présente, "… des images en fond clair d'une cellule souche migrant à travers un hydrogel, en moyenne temporelle. L'image fait partie de la recherche visant à caractériser les propriétés rhéologiques du microenvironnement que les cellules souches mésenchymateuses humaines développent dans un échafaudage en hydrogel synthétique. La cellule mobile apparaît au centre de l'image et des points noirs indiquent le mouvement des particules de la sonde utilisées pour la caractérisation microrhéologique. Au cours de la motilité, le hMSC dégrade le matériau au-delà de la transition gel-sol et les particules de sonde sont entraînées dans la direction de la motilité cellulaire… »

Les résultats de la recherche ont été publiés dans un article de Schultz, Maryam Daviran, étudiante de troisième cycle, et de Sarah Longwill et Jonah Casella, étudiantes de premier cycle, dans la revue Soft Matter intitulée «Microrhéologie de suivi de particules multiples mesurée à l'aide de diamètres de sonde bi-dispersés».