Matériel biomimétique - Biomimetic material
Les matériaux biomimétiques sont des matériaux développés en s'inspirant de la nature . Cela peut être utile dans la conception de matériaux composites . Les structures naturelles ont inspiré et innové les créations humaines. Des exemples notables de ces structures naturelles comprennent : la structure en nid d'abeille de la ruche, la résistance des soies d'araignée, la mécanique du vol des oiseaux et l'imperméabilité de la peau de requin . Les racines étymologiques du néologisme (nouveau terme) biomimétique dérivent du grec, puisque bios signifie « vie » et mimetikos signifie « imitatif »,
Création de tissus
Matériaux biomimétiques dans l' ingénierie des tissus sont des matériaux qui ont été conçus de telle sorte que qu'elles suscitent des réponses cellulaires à médiation spécifiés par des interactions avec échafaudage captif peptides de la matrice extracellulaire (ECM) des protéines ; essentiellement, l'incorporation de peptides de liaison cellulaire dans des biomatériaux via une modification chimique ou physique. Les acides aminés situés dans les peptides sont utilisés comme blocs de construction par d'autres structures biologiques. Ces peptides sont souvent appelés « peptides auto-assemblants », car ils peuvent être modifiés pour contenir des motifs biologiquement actifs . Cela leur permet de reproduire les informations dérivées des tissus et de reproduire les mêmes informations de manière indépendante. Ainsi, ces peptides agissent comme des blocs de construction capables de mener de multiples activités biochimiques, y compris l'ingénierie tissulaire. La recherche en génie tissulaire actuellement menée sur les peptides à chaîne courte et à chaîne longue n'en est qu'à ses débuts.
De tels peptides comprennent à la fois de longues chaînes natives de protéines ECM ainsi que de courtes séquences peptidiques dérivées de protéines ECM intactes. L'idée est que le matériel biomimétique imitera certains des rôles qu'un ECM joue dans le tissu neural . En plus de favoriser la croissance et la mobilisation cellulaires, les peptides incorporés pourraient également médier par des enzymes protéases spécifiques ou initier des réponses cellulaires non présentes dans un tissu natif local.
Au début, de longues chaînes de protéines ECM comprenant la fibronectine (FN), la vitronectine (VN) et la laminine (LN) ont été utilisées, mais plus récemment, les avantages de l'utilisation de peptides courts ont été découverts. Les peptides courts sont plus avantageux parce que, contrairement aux longues chaînes qui se replient de façon aléatoire lors de l' adsorption des actifs à l' origine des domaines de protéines pour être stériquement indisponibles, peptides courts restent stables et ne cachent pas la liaison au récepteur domaines lorsqu'il est adsorbé. Un autre avantage des peptides courts est qu'ils peuvent être répliqués de manière plus économique en raison de leur plus petite taille. Un agent de réticulation bifonctionnel avec un long bras d'espacement est utilisé pour attacher les peptides à la surface du substrat . Si un groupe fonctionnel n'est pas disponible pour attacher le réticulant, une immobilisation photochimique peut être utilisée.
En plus de modifier la surface, les biomatériaux peuvent être modifiés en masse, ce qui signifie que les peptides de signalisation cellulaire et les sites de reconnaissance sont présents non seulement à la surface mais également dans toute la masse du matériau. La force de l'attachement cellulaire, le taux de migration cellulaire et l'étendue de la formation de l'organisation cytosquelettique sont déterminés par le récepteur se liant au ligand lié au matériau ; ainsi, l'affinité récepteur-ligand, la densité du ligand et la distribution spatiale du ligand doivent être soigneusement prises en compte lors de la conception d'un matériau biomimétique.
Minéralisation biomimétique
Les protéines de la matrice extracellulaire de l'émail en développement (telle que l' amélogénine ) contrôlent le dépôt minéral initial ( nucléation ) et la croissance cristalline ultérieure, déterminant finalement les propriétés physico-mécaniques du tissu minéralisé mature. Les nucléateurs rassemblent les ions minéraux des fluides environnants (comme la salive) sous la forme d'une structure en réseau cristallin, en stabilisant les petits noyaux pour permettre la croissance cristalline, formant un tissu minéral. Des mutations dans les protéines de la MEC de l'émail entraînent des défauts de l'émail tels que l' amélogenèse imparfaite . On pense que le collagène de type I a un rôle similaire dans la formation de la dentine et de l'os.
Le minéral de l'émail dentaire (ainsi que la dentine et l'os) est constitué d' hydroxylapatite avec des ions étrangers incorporés dans la structure. Le carbonate , le fluorure et le magnésium sont les substituants hétéroioniques les plus courants.
Dans une stratégie de minéralisation biomimétique basée sur l' histogenèse normale de l'émail , un échafaudage tridimensionnel est formé pour attirer et organiser les ions calcium et/ou phosphate pour induire la précipitation de novo de l'hydroxylapatite.
Deux stratégies générales ont été appliquées. L'un utilise des fragments connus pour soutenir les protéines de minéralisation naturelles, telles que l'amélogénine, le collagène ou la dentine phosphorylée comme base. Alternativement, des structures macromoléculaires de novo ont été conçues pour soutenir la minéralisation, non pas sur la base de molécules naturelles, mais sur une conception rationnelle. Un exemple est l' oligopeptide P11-4 .
En orthopédie dentaire et en implantologie, une stratégie plus traditionnelle pour améliorer la densité de l'os de la mâchoire sous-jacente consiste à appliquer in situ des matériaux de phosphate de calcium. Les matériaux couramment utilisés comprennent l'hydroxylapatite, le phosphate tricalcique et le ciment au phosphate de calcium . Les verres bioactifs plus récents suivent cette ligne de stratégie, où le silicone ajouté fournit un bonus important à l'absorption locale du calcium.
Protéines de la matrice extracellulaire
De nombreuses études utilisent la laminine-1 lors de la conception d'un matériau biomimétique. La laminine est un composant de la matrice extracellulaire capable de favoriser l'attachement et la différenciation des neurones, en plus du guidage de la croissance axonale . Son site fonctionnel principal pour la bioactivité est son domaine protéique central isoleucine - lysine - valine - alanine - valine (IKVAV), qui est situé dans la chaîne α-1 de la laminine.
Une étude récente de Wu, Zheng et al., a synthétisé une nanofibre peptidique IKVAV auto-assemblée et testé son effet sur l'adhésion des cellules pc12 de type neurone . L'adhésion cellulaire précoce est très importante pour prévenir la dégénérescence cellulaire; plus les cellules sont suspendues longtemps en culture, plus elles sont susceptibles de dégénérer. Le but était de développer un biomatériau avec une bonne adhérence cellulaire et une bonne bioactivité avec IKVAV, qui est capable d'inhiber la différenciation et l'adhérence des cellules gliales en plus de favoriser l' adhérence et la différenciation des cellules neuronales . Le domaine peptidique IKVAV se trouve à la surface des nanofibres afin qu'il soit exposé et accessible pour favoriser les interactions de contact cellulaire. Les nanofibres IKVAV ont favorisé une adhérence cellulaire plus forte que l'attraction électrostatique induite par la poly-L-lysine , et l'adhérence cellulaire a augmenté avec l'augmentation de la densité d'IKVAV jusqu'à ce que le point de saturation soit atteint. L'IKVAV ne présente pas d'effets dépendant du temps car l'adhérence s'est avérée la même à 1 heure et à 3 heures.
La laminine est connue pour stimuler la croissance des neurites et elle joue un rôle dans le développement du système nerveux. On sait que les gradients sont essentiels pour guider les cônes de croissance vers leurs tissus cibles dans le système nerveux en développement . De nombreuses recherches ont été effectuées sur les gradients solubles ; cependant, peu d'accent a été mis sur les gradients de substances liées au substrat de la matrice extracellulaire telles que la laminine. Dodla et Bellamkonda, ont fabriqué un gel d'agarose 3D anisotrope avec des gradients de laminine-1 couplée (LN-1). Il a été démontré que les gradients de concentration de LN-1 favorisent une extension des neurites plus rapide que le taux de croissance des neurites le plus élevé observé avec des concentrations isotropes de LN-1. Les neurites ont grandi à la fois vers le haut et vers le bas des gradients, mais la croissance était plus rapide à des gradients moins raides et était plus rapide en haut des gradients qu'en bas des gradients.
Muscles artificiels biomimétiques
Les polymères électroactifs (EAP) sont également connus sous le nom de muscles artificiels. Les EAP sont des matériaux polymères et ils sont capables de produire une grande déformation lorsqu'ils sont appliqués dans un champ électrique. Cela offre un grand potentiel dans les applications de la biotechnologie et de la robotique, des capteurs et des actionneurs.
Structures photoniques biomimétiques
La production de couleurs structurelles concerne un large éventail d'organismes. Des bactéries ( Flavobacterium souche IR1) aux organismes multicellulaires ( Hibiscus trionum , Doryteuthis pealeii (calmar) ou Chrysochroa fulgidissima (coléoptère)), la manipulation de la lumière ne se limite pas aux formes de vie rares et exotiques. Différents organismes ont développé différents mécanismes pour produire des couleurs structurelles : cuticules multicouches chez certains insectes et plantes, surface en forme de grille chez les plantes, cellules géométriquement organisées chez les bactéries... tous ces thèmes représentent une source d'inspiration pour le développement de matériaux structurellement colorés. L'étude de l'abdomen de la luciole a révélé la présence d'un système à 3 couches comprenant la cuticule, la couche photogénique puis une couche réflectrice. La microscopie de la couche réflectrice a révélé une structure granulée. Directement inspiré de la couche Fire Fly Reflector, un film de granulat artificiel composé de billes de silice creuses d'environ 1,05 m a été corrélé à un indice de réflexion élevé et pourrait être utilisé pour améliorer l'émission de lumière dans les systèmes chimiluminescents .
Enzyme artificielle
Les enzymes artificielles sont des matériaux synthétiques qui peuvent imiter la fonction (partielle) d'une enzyme naturelle sans nécessairement être une protéine. Parmi eux, certains nanomatériaux ont été utilisés pour imiter les enzymes naturelles. Ces nanomatériaux sont appelés nanozymes. Les nanozymes ainsi que d'autres enzymes artificielles ont trouvé de nombreuses applications, de la biodétection et des immunoessais, à la croissance des cellules souches et à l'élimination des polluants.
Composite biomimétique
Les composites biomimétiques sont fabriqués en imitant des stratégies de conception naturelles. Les conceptions ou structures trouvées chez les animaux et les plantes ont été étudiées et ces structures biologiques sont appliquées pour fabriquer une structure composite. Des techniques de fabrication avancées telles que l'impression 3D sont utilisées par le chercheur pour les fabriquer.