Hydrogels : changer les soins de santé de façon étrange

Le 23 mai 2023, un monde où une simple injection peut guérir un os cassé, des dispositifs ingérables peuvent suivre notre santé, et des implants cérébraux et cardiaques peuvent s'intégrer à la chair de manière transparente n'est peut-être pas loin. Pendant des décennies, les scientifiques des matériaux ont travaillé pour imiter l'architecture complexe du corps humain dans l'espoir de remplacer des pièces cassées ou de traiter des maladies. Cependant, la plupart des pièces de rechange et de correction, des prothèses aux stimulateurs cardiaques, sont faites de matériaux durs, secs et sans vie comme le métal ou le plastique, tandis que les tissus biologiques sont mous, humides et vivants. Le corps connaît la différence et a tendance à rejeter les imitations. C'est là qu'interviennent les hydrogels.

Les hydrogels sont des réseaux tridimensionnels de molécules gonflées d'eau. Ils ont été décrits pour la première fois en 1960 par les créateurs de lentilles de contact souples et sont capables de passer du liquide au solide en un intermédiaire spongieux. Les hydrogels sont comme un sac en filet d'eau fait de polymères, ou de brins de molécules en forme de spaghetti, cousus ensemble selon un motif répétitif et gonflés de H2O. Les os humains sont composés d'environ 25 % d'eau, tandis que les muscles oscillent autour de 70 % et le cerveau à 85 %. Le précieux liquide joue une multitude de rôles essentiels, allant de l'acheminement et du gaspillage des nutriments à la communication entre les cellules. Les hydrogels fabriqués en laboratoire peuvent être chargés de marchandises, y compris des cellules ou des médicaments qui aident à imiter certaines de ces fonctions.

Les hydrogels sont également doux et souples comme de la chair. Ainsi, s'ils sont utilisés dans des implants, ils peuvent être moins susceptibles d'endommager les tissus environnants. Les hydrogels ont également tendance à être non toxiques, de sorte que le système immunitaire peut être moins susceptible de les attaquer en tant que corps étrangers. Tout cela a fait des hydrogels le nouveau chouchou du monde de la bio-ingénierie.

Les hydrogels sont idéaux pour fusionner les humains et les machines. Eric Appel, PhD, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford, compare les hydrogels à un filet de football, avec toutes ces longues fibres tissées ensemble pour créer le filet. Alors que la catégorie plus large des "gels" pourrait être remplie de n'importe quoi, y compris des solvants chimiques, l'eau est l'ingrédient clé qui distingue les hydrogels.

Les hydrogels ont le potentiel de transformer la façon dont nous prenons des médicaments et traitons les articulations usées. Appel a bricolé des formules de gel pendant des années dans l'espoir que ces globes de haute technologie pourraient un jour transporter des médicaments à libération prolongée au bon endroit dans le corps. Ses nouveaux hydrogels commencent sous forme de gels entièrement formés à l'intérieur d'une seringue. Mais une fois le piston enfoncé, ils se transforment comme par magie en un liquide suffisamment fin pour s'écouler facilement à travers une aiguille standard. À la sortie, ils se reforment immédiatement en gels, protégeant la cargaison inhérente de la dégradation. De tels hydrogels à libération lente pourraient prolonger la durée de vie des vaccins et fournir des thérapies antitumorales plus précises.

Pendant ce temps, une autre équipe du Massachusetts Institute of Technology a adopté une approche différente, développant une pilule d'hydrogel ingérable de taille standard qui gonfle comme un poisson-globe dans l'estomac, dure un mois et libère lentement des médicaments tout le temps. Pour retirer la pilule, un patient boit simplement une solution à base de sel qui ratatine l'appareil de la taille d'une balle de ping-pong afin qu'il puisse être expulsé du corps. La pilule du poisson-globe pourrait également être chargée de minuscules caméras ou moniteurs pour suivre des conditions telles que les ulcères ou le cancer.

Les hydrogels ont également été pensés pour remplacer le cartilage humain. Wiley et ses collègues de Duke ont récemment annoncé qu'ils avaient développé le premier substitut de cartilage à base de gel encore plus solide et plus durable que le vrai. En attachant leur hydrogel à un support en titane pour aider à le maintenir en place, ils espèrent réparer le cartilage endommagé "un peu comme un dentiste remplit une cavité" bien avant qu'une intervention chirurgicale ne soit nécessaire.

À l'Université de Toronto, la chimiste Karina Carneiro, PhD, et le dentiste Christopher McCulloch, DDS, ont développé un hydrogel composé d'ADN qui peut être injecté, migrer vers un défaut osseux et combler le vide comme du mastic. Mais non seulement il colmate le trou, mais il incite l'os à se régénérer.

Les applications potentielles les plus folles des hydrogels se situent dans le domaine de l'interaction homme-machine. De nombreuses entreprises se lancent déjà dans des prothèses neurales ou des interfaces informatiques cérébrales qui pourraient un jour permettre à une personne paralysée et ne pouvant pas parler d'écrire sur un ordinateur portable en utilisant ses pensées. Le problème de la cuillère dans le Jell-O a été une pierre d'achoppement majeure. Mais Christina Tringides, PhD, une scientifique des matériaux qui étudie l'ingénierie neurale, et son équipe ont développé un hydrogel à base d'algues chargé de minuscules particules de nanomatériaux qui peuvent non seulement se fondre parfaitement dans le tissu cérébral spongieux, mais aussi conduire l'électricité. D'ici une décennie, cela pourrait remplacer les disques métalliques en platine encombrants utilisés pour l'électrocorticographie.

Dans 30 à 50 ans, les possibilités sont infinies. Les hydrogels ont le potentiel de transformer la façon dont nous prenons des médicaments et traitons les articulations usées et ouvrent la voie à un avenir apparemment de science-fiction dans lequel les organes, y compris les cerveaux, peuvent interagir directement avec les machines.