Des microfibres biomimétiques à structure inspirée du bambou

Il existe dans la nature nombre de fibres à l’échelle du micromètre et du nanomètre. Elles ont des propriétés mécaniques et des configurations diverses, qu’on a souvent cherché à reproduire dans  des fibres artificielles. Une équipe  sino-danoise propose une nouvelle méthode de fabrication de microfibres  basée sur la micro-fluidique. Certaines de ces fibres biomimétiques en alginate de sodium ont une structure ressemblant à celle du bambou. En utilisant une injection micro-fluidique de gouttes, on peut leur incorporer des inclusions sphériques comme des microgouttes hydrophobes, des microsphères en polymères ou même des amas  sphériques de cellules biologiques. Ce procédé très polyvalent conduit à nombre d’applications.

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Fig.1. Microfibres d’alginate de calcium à structure de bambou. Les
sphères vertes sont des particules du polymère poly(acide lactique-co-glycolique)
(PLGA) teintes en vert par la fluorescéine.
Crédit Nature communications.

Le système microfluidique utilisé pour la fabrication de la microfibre à inclusions (dite aussi fibre hybride) est représenté sur la figure 2. Il est réalisé en polydiméthylsiloxane (PDMS) coulé dans un moule.

Le Polydiméthylsiloxane appelé PDMS ou diméthicone est un polymère très utilisé pour la fabrication de systèmes microfluidiques. C’est un polymère organo-minéral (c’est-à-dire qu’il contient du carbone et du silicium) de la famille des siloxanes (ce terme chimique rappelle la composition en silicium, oxygène et alcane, hydrocarbure saturé en hydrogène). En microfluidique, du PDMS liquide, mélangé à un agent polymérisant, est versé dans un moule approprié pour obtenir la structure désirée. Après polymérisation, le PDMS est un élastomère hydrophobe. Il résiste à l’eau, aux alcools et aux huiles.

Ici la structure démoulée est collée sur un bloc plan de PDMS et on obtient ainsi des canaux d’une profondeur de 200 micromètres.  L’orifice de sortie calibré utilisé mesure 200µm x 200µm.

Fig.2. Schéma du système microfluidique de fabrication de microfibres de CaA avec des gouttelettes huileuses incorporées. On a représenté les 2 conduits des phases huileuses en rouge et en vert pour indiquer qu’on peut injecter deux produits différents si besoin est. Les microvannes à membrane simple sont commandées par air comprimé.Crédit Nature communications.

Fig.2. Schéma du système microfluidique de fabrication de microfibres de CaA avec des gouttelettes huileuses incorporées. On a représenté les 2 conduits des phases huileuses en rouge et en vert pour indiquer qu’on peut injecter deux produits différents si besoin est. Les microvannes à membrane simple
sont commandées par air comprimé. A la sortie de l’orifice calibré, la fibre passe dans un bain de CaCl2  puis est déshydratée à l’air et collectée.  Crédit Nature communications.

 
Des seringues équipées de pousse-seringues automatiques alimentent de solutions en phase aqueuse et en phase huileuse les circuits fluidiques correspondants. On a choisi l’alginate de sodium CaA pour la fabrication des fibres à cause de sa grande biocompatibilité. On utilise comme phase aqueuse de départ une solution d’alginate de sodium NaA envoyée de façon continue dans le système microfluidique. Cette solution est extrudée par un orifice calibré dans une solution de chlorure de calcium CaCl2. Au contact des ions Ca2+ de cette solution, la fibre d’alginate de sodium est transformée en fibre gélatineuse d’alginate de calcium. La fibre produite est collectée par enroulement. Elle est déshydratée par séchage à l’air. Ce procédé est précis et stable.
Pour fabriquer des fibres hybrides en leur incorporant différents matériaux sphériques, on génère des gouttelettes hydrophobes à partir d’une solution huileuse et on les incorpore dans la solution de NaA en utilisant une des jonctions en T de la figure 2. En ouvrant périodiquement une  ou l’autre des microvannes, on injecte des gouttelettes dans l’alginate de sodium à des intervalles réguliers et réglables.

Par exemple, pour incorporer des microsphères d’un polymère, le PLGA [poly(acide lactique-co-glycolique)], dans la microfibre d’alginate, une émulsion du polymère PLGA  dissous dans du carbonate de diméthyle (DMC) constitue la phase huileuse. Elle est envoyée en gouttelettes dans la solution de NaA. Dans le stade suivant le NaA est gélatinisé pour former la microfibre de CaA  contenant des gouttes de PGLA-DMC. Le solvant DMC s’évapore rapidement, les gouttes se contractent énormément pour former des microsphères solides dans la microfibre. La figure ci-dessous schématise ce processus

Fig. 3. Schéma de la synthèse des fibres d’alginate de calcium avec inclusion de microsphères de PGLA. Crédit Nature communications.

Fig. 3. Schéma de la synthèse des fibres d’alginate de calcium avec inclusion de microsphères de PGLA. Crédit Nature communications.

Dans ce cas, on a  remplacé les gouttelettes huileuse par l’émulsion PLGA-DMC.  Mais, comme le font remarquer les chercheurs de Dalian, en Chine et Aarhus, au Danemark,  avec ce matériau hybride, on a la possibilité de placer différents types de composés dans une seule entité et, grâce à cela, on peut s’attendre à ce que la fibre hybride soit dotée d’une grande multifonctionnalité tout en gardant ses remarquables qualités de  biocompatibilité et de biodégradabilité.
En effet, des molécules hydrophiles peuvent être incorporées dans les microfibres en hydrogel de CaA et des molécules  hydrophobes dans les microsphères de PLGA, ce qui peut conduire à des diffusions indépendantes de ces molécules dans un organisme vivant.
Les chercheurs ont déjà réussi à encapsuler des agrégats multicellulaires  de cellules souches mésenchymateuses (CSM) dans les microfibres en alginate de calcium en les plaçant dans la solution de départ d’alginate de sodium, NaA  (Figure 4).

Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) peuvent produire plusieurs types de cellules de tissus squelettiques, tels que le cartilage, les os et la graisse. Ce sont donc des cellules multipotentes.  On envisage de traiter avec elles des affections des os et du cartilage.

 

Fig.4. Microphotographie en fond clair de sphéroïdes de CSM inclus dans une microfibre d’alginate de calcium. Crédit Nature communications.

Fig.4. Microphotographie en fond clair de sphéroïdes de CSM inclus
dans une microfibre d’alginate de calcium. Crédit Nature communications.

L’intégration de microsphères d’agrégats de CSM dans les microfibres de CaA  fournit un bioréacteur pour l’étude in vitro de la croissance in vivo de tissus cellulaires. Les agrégats de cellules supportés par les fibres sont bien alimentés en oxygène et nutriments et mieux protégés des contraintes mécaniques.que dans les  cultures classiques en boîtes de Petri. Ce type de culture permet aussi d’avoir une densité de cellules bien supérieure à celle obtenue par la méthode classique. Les sphéroïdes inclus peuvent être des tissus vivants et la fibre hybride peut alors servir de vecteur pour la médecine régénérative.
On a donc une nouvelle technique microfluidique qui permet en une seule opération de fabriquer une microfibre hybride à multiples fonctionnalités. Divers matériaux sphériques comme des gouttelettes hydrophobes, des microsphères en polymères et des agrégats sphéroïdaux de cellules peuvent être incorporés de façon contrôlée dans la fibre en alginate de calcium. Ceci promet de nombreuses applications, de la fabrication de nouveaux matériaux à l’obtention de tissus biologiques et leur utilisation en recherche et en médecine régénératrice.

Pour en savoir plus :

Flexible Fabrication of Biomimetic Bamboo-Like Hybrid Microfibers.
Yue Yu , Hui Wen , Jingyun Ma , Simon Lykkemark , Hui Xu , and Jianhua Qin
Advanced  Materials  2014, 26, 2494–2499

 

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