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Une synergie gagnante : un hydrogel nanocomposite biodégradable pour la délivrance contrôlée de médicaments

La mise au point d’un matériau complexe pour des applications biomédicales suit un cahier des charges riche en contraintes antagonistes : par exemple, il doit être résistant mais biodégradable, fortement hydraté mais vecteur de substances actives hydrophobes... De plus, l’imagination des chimistes est bridée par la nécessaire biocompatibilité des matériaux synthétisés, et par l’étape de validation par les agences de santé, condition sine qua non pour une valorisation rapide. L’équipe « Mécanique multi-échelles des solides faibles » de l’INSP a pu participer à un tel projet rassemblant plusieurs laboratoires de Sorbonne Université : chimistes, biologistes cellulaires, dermatologues et donc, physiciens de la matière condensée. Ce projet a abouti à la synthèse d’un patch nanocomposite adapté à la délivrance contrôlée de médicaments pour le traitement des plaies chroniques de peau, exploitant une synergie remarquable entre une matrice de collagène et des nanoparticules de polyesters chargées en substance active.

Les plaies chroniques de peau, en particulier chez les patients diabétiques, sont principalement traitées par des pansements occlusifs à base d’alginate (polymère extrait d’algues qui gélifie en présence d’ions calcium) qui préviennent l’infection de la plaie et maintiennent son hydratation mais ne jouent aucun rôle actif dans le processus de cicatrisation. Il y a donc actuellement une forte demande de pansements médicamenteux incorporant des agents thérapeutiques qui peuvent favoriser la cicatrisation. La plupart des principes actifs, comme la spironolactone étudiée par nos collègues du Centre de Recherche des Cordeliers, sont des molécules hydrophobes tandis que les pansements doivent être hydrophiles pour absorber les fluides exsudés par la plaie. L’approche de l’équipe du LCMCP s’est appuyée sur la mise au point de patches composites associant des hydrogels de collagène (protéine, constituant principal de la peau, des ligaments, des os…) avec des polymères hydrophobes permettant d’encapsuler des quantités élevées de médicaments et de libérer le principe actif lipophile d’une manière contrôlée sur un mois. L’utilisation de polyesters déjà approuvés par la FDA ont été utilisés dans cette étude, ce qui est un avantage pour de futures applications et pour la validation des matériaux.

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Schéma de la fabrication d’hydrogels composites collagène-polyester basés sur le processus de nanoprécipitation in situ, qui a des applications prometteuses dans l’administration de médicaments et l’ingénierie tissulaire.
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Structure des composites de collagène observée en Microscopie Electronique à Balayage révélant la formation de nanoparticules de polyesters le long des fibres de collagène. Barre d’échelle = 2µm

Les patches devant rester en place plusieurs jours sur le lit de la blessure, il est essentiel de veiller à leur résistance mécanique. Les hydrogels de collagène sont constitués d’un réseau de fibrilles micrométriques imprégné par un solvant aqueux. Un bel exemple de « matière molle », bien éloigné des matériaux dits « de structure » traditionnels (métal, béton...). Dans ce contexte, l’équipe de l’INSP a mis œuvre sa longue expertise de la caractérisation des propriétés mécaniques de ce type de matériau et de l’influence des facteurs environnementaux sur leur résistance à la rupture (T. Baumberger, & O. Ronsin (2020). Environmental control of crack propagation in polymer hydrogels. Mechanics of Soft Materials, 2(1), 1-38).

La bonne surprise est que la structure du composite, obtenu par précipitation du polymère hydrophobe in situ sous forme de nanoparticules chargées en spironolactone, permet non seulement son relargage contrôlé sur des temps longs mais aussi un renforcement mécanique du gel vis-à-vis de la rupture sous traction. Du point de vue des applications, le consortium pluridisciplinaire réuni autour de nos collègues chimistes a donc mis au point et caractérisé un matériau performant et parfaitement biocompatible, pouvant s’adapter à diverses substances hydrophobes et susceptible d’être moulé à façon. Les études in vivo sont en cours. D’un point de vue plus fondamental, le mécanisme de renforcement par les nanoparticules reste à éclaircir.

Référence
« Nanostructured Dense Collagen-Polyester Composite Hydrogels as Amphiphilic Platforms for Drug Delivery »
Xiaolin Wang, Olivier Ronsin, Basile Gravez, Nicolette Farman, Tristan Baumberger, Frédéric Jaisser, Thibaud Coradin, Christophe Hélary
Advanced Science, 8, 2004213 (2021)
Projet ANR COLLAGHEAL.

Article

Contact
Tristan Baumberger : tristan.baumberger(at)insp.jussieu.fr