« Conception modulaire d’adhésifs hydrogels pour une meilleure cicatrisation tissulaire »

Aujourd'hui, nous partageons un article de recherche mené par l'équipe de Kuan Zhang et publié dans la revue Advanced Materials. Cette étude propose une stratégie de conception modulaire permettant de développer une nouvelle génération de bioadhésifs hydrogels grâce à l'intégration de polypeptides surchargés génétiquement modifiés (SUP) à des réseaux d'hydrogel synthétiques. Cette stratégie optimise l'adhérence et la cohésion, assurant une hémostase et une cicatrisation rapides et efficaces dans divers environnements physiologiques complexes (tels que le foie, le cœur et l'estomac acide). Pour la première fois dans ce type de matériaux, elle permet également un détachement doux et contrôlé, offrant ainsi un nouveau paradigme universel pour le développement d'adhésifs biomédicaux.

01 Contexte de la recherche :

En chirurgie et en soins des plaies, les bioadhésifs sont largement étudiés comme alternatives aux sutures et aux agrafes. Cependant, les solutions adhésives existantes présentent des limitations importantes : lenteur d’adhésion, faible force de liaison, biocompatibilité insuffisante, inadéquation mécanique avec les tissus et, surtout, absence de possibilité de détachement contrôlé et sans danger. Les hydrogels, de par leur similarité structurale et mécanique avec les tissus biologiques, sont des candidats idéaux pour les bioadhésifs. Toutefois, il n’existe pas encore de méthode universelle permettant de conférer aux hydrogels d’excellentes propriétés adhésives, ce qui nécessite souvent des modifications chimiques complexes adaptées à chaque réseau d’hydrogel. Une forte adhésion est souvent incompatible avec les critères des bioadhésifs idéaux ; par exemple, l’amélioration des performances peut impliquer l’introduction de structures non dégradables ou de molécules toxiques. De plus, l’obtention d’une adhésion rapide et forte se fait souvent au détriment d’un détachement contrôlé. En pratique clinique, les adhésifs doivent parfois être retirés pour des interventions chirurgicales secondaires, et un pelage direct peut entraîner des lésions tissulaires secondaires. Il est donc urgent de développer des stratégies adhésives universelles pour les hydrogels, combinant une forte adhésion et un détachement contrôlé et sans danger.

Figure 1. Illustration schématique de la stratégie de conception modulaire pour les adhésifs hydrogels.

02 Points forts innovants

L'innovation fondamentale de cette étude réside dans son concept de conception « modulaire », qui découple les fonctions du réseau d'hydrogel et de la phase de coacervat protéique, puis réalise des percées en matière de performances grâce à des effets synergiques.

• Modularité fonctionnelle et amélioration synergique : L'équipe de recherche n'a pas procédé à des modifications chimiques complexes sur le réseau d'hydrogel lui-même, mais l'a utilisé comme « squelette » assurant le soutien mécanique. Parallèlement, elle a introduit dans l'hydrogel un adhésif ultra-résistant, la « colle SUP », développé précédemment – ​​un coacervat formé par complexation électrostatique de polypeptides cationiques et du tensioactif anionique SDBS – comme module fonctionnel, créant ainsi un réseau semi-interpénétré. Le squelette d'hydrogel confère une cohésion solide, empêchant la désintégration du matériau en milieu humide, tandis que le module de coacervat interne migre vers l'interface lors de l'adhésion, assurant ainsi la force d'adhérence. Leur synergie permet d'obtenir des performances bien supérieures à celles des composants pris individuellement.

• Utilisation de protéines considérablement réduite et application facilitée : Bien que la colle SUP originale présente une forte adhérence, sa teneur élevée en protéines, sa faible cohésion en milieu humide et la difficulté d’application du coacervat visqueux sur les plaies constituent des inconvénients majeurs. Cette nouvelle formulation disperse uniformément les protéines au sein du réseau d’hydrogel, optimisant ainsi leur utilisation. La quantité de protéines nécessaire pour obtenir une force d’adhérence équivalente est réduite de plus de 50 fois, et le film sec obtenu est plus facile à appliquer.

• Introduction d'un mécanisme de détachement doux et modulable : grâce aux propriétés des composants protéiques du coacervat, l'application localisée de trypsine permet une dégradation rapide des protéines, autorisant ainsi un détachement doux et non invasif de l'adhésif en quelques minutes. Cette méthode répond au problème clinique de la difficulté de retrait des adhésifs puissants.

03 Résultats et discussion

3.1 Préparation, caractérisation et validation des matériaux pour une adhésion ultra-forte

L'étude a utilisé un hydrogel de polyéthylène glycol (PEG) couramment disponible comme squelette modèle. Lors de sa préparation, des polypeptides SUP cationiques (par exemple, K72) ont été ajoutés au précurseur d'hydrogel. Après polymérisation UV pour former l'hydrogel, le tensioactif anionique SDBS a été introduit par diffusion, formant des phases de coacervats protéiques au sein du gel et aboutissant finalement à un film adhésif sec.

L'observation par microscopie électronique à balayage cryogénique (cryo-MEB) et microscopie confocale a confirmé la distribution uniforme des particules de coacervat au sein du réseau d'hydrogel. Les données de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ont révélé de nouveaux pics caractéristiques, confirmant la structure ordonnée de la phase coacervat. Les tests d'adhérence (tests de cisaillement) ont démontré que les hydrogels de PEG contenant le coacervat K72-SDBS atteignaient une force d'adhérence extrêmement élevée (3-5 MPa) sur des surfaces de verre, suffisante pour soulever une masse de 1 kg. Les groupes témoins sans SUP ni SDBS n'ont présenté quasiment aucune adhérence. Parallèlement, la ténacité au pelage de ce matériau (~340 J m⁻²) était significativement supérieure à celle de la colle SUP originale (~30 J m⁻²), démontrant la contribution du squelette d'hydrogel à une cohésion accrue.

Figure 2. Préparation et caractérisation de l'adhésif hydrogel.

3.2 Étude du mécanisme d'adhésion et démonstration de sa généralité et de son détachement contrôlable

Pour explorer le mécanisme de forte adhésion, l'étude a utilisé une protéine marquée par fluorescence (GFP-K72) pour l'observation. Il a été constaté que lors de la formation de l'adhérence, la phase coacervée au sein du gel migre activement et s'accumule à l'interface d'adhésion, permettant ainsi une forte adhésion interfaciale avec une quantité totale de protéine relativement faible. Des analyses par microscopie à force atomique (AFM) ont également confirmé la présence de la phase coacervée à la surface adhésive, démontrant une force d'adhésion élevée.

La généralité de cette conception est impressionnante. L'équipe de recherche a combiné avec succès différents squelettes d'hydrogel (par exemple, le polyacrylamide PAAm, l'acide polyacrylique PAA, l'HEMA, le NVP) avec le coacervat SUP. Toutes ces combinaisons ont présenté une forte adhérence et une grande ténacité, démontrant ainsi la large applicabilité de cette stratégie modulaire. Plus important encore, un détachement contrôlé a été obtenu : grâce à un traitement à la trypsine permettant de dégrader la protéine à l'interface, la force d'adhérence a pu être réduite d'un facteur 10 environ, facilitant ainsi le décollement non traumatique de l'adhésif, tandis qu'un arrachement direct provoquait des lésions tissulaires et déclenchait une réaction inflammatoire plus importante.

Figure 3. Étude de la généralité et des propriétés de détachement contrôlables du système adhésif hydrogel.

3.3 Validation d'excellents effets hémostatiques et cicatrisants dans de multiples modèles animaux

L’avantage de la conception modulaire réside dans la possibilité de « personnaliser » le squelette d’hydrogel pour l’adapter à des environnements physiologiques spécifiques. L’équipe de recherche a présenté trois scénarios d’application :

Hémostase hépatique : Utilisation d’un hydrogel de PEG conventionnel (PEG-K72-SDBS). Dans un modèle d’incision hépatique chez le rat, cet adhésif a permis une hémostase rapide en 5 secondes, avec des performances comparables à celles de la colle cyanoacrylate commerciale, mais une biocompatibilité et une facilité de détachement nettement supérieures. L’analyse histologique a montré qu’il favorisait significativement la cicatrisation, en réduisant l’inflammation et le dépôt de collagène.

Fermeture des plaies cardiaques : Afin de s’adapter à l’environnement humide et dynamique d’un cœur battant, un hydrogel HEMA à faible gonflement (HEMA-K72-SDBS) a été conçu. Dans un modèle de lésion cardiaque pénétrante, cet adhésif a permis une hémostase immédiate, tandis que la colle de fibrine commerciale utilisée comme témoin a entraîné des saignements continus. L’analyse histologique a confirmé une réponse inflammatoire plus faible et une cicatrisation plus rapide dans le groupe traité avec l’adhésif.

Figure 4. Cicatrisation cardiaque in vivo

Réparation de perforation gastrique : Afin de résister à l’acidité de l’estomac, un hydrogel NVP résistant à l’acide (NVP-K72-SDBS) a été synthétisé. Dans un modèle de perforation gastrique chez le rat, cet adhésif a scellé efficacement la perforation en 5 secondes et est resté fermement adhérent même après 7 jours. Comparé à la suture, il a permis d’éviter les lésions de perforation secondaires dues à la suture et a favorisé une régénération plus complète de la structure à trois couches de la paroi gastrique.

Figure 5. Réparation in vivo d'une perforation gastrique.

04 Conclusion et perspectives d'avenir

Cette étude démontre avec succès l'efficacité d'une plateforme de conception modulaire universelle pour les bioadhésifs hydrogels. Son principal atout réside dans la possibilité de découpler et de combiner librement les fonctions par mélange physique du « module fonctionnel adhésif » (coacervat protéique) avec le « module de support structurel » (réseau d'hydrogel), plutôt que par couplage chimique. Cette approche simplifie non seulement le processus de conception en évitant les modifications chimiques fastidieuses, mais permet également au matériau de posséder simultanément de multiples caractéristiques idéales : une forte adhésion, une excellente cohésion, une adaptabilité environnementale et un détachement doux et modulable.

En résumé, ce travail dépasse l'approche traditionnelle « un matériau pour un problème » pour adopter un concept de « plateforme matérielle » plus adaptable. Les chercheurs peuvent sélectionner et optimiser indépendamment les propriétés mécaniques, le comportement au gonflement et la stabilité chimique du squelette d'hydrogel en fonction des exigences de l'application visée (par exemple, conditions humides dynamiques, milieux acides), tout en préservant sa forte capacité d'adhésion interfaciale. Cette philosophie de conception offre des perspectives importantes pour le développement futur des biomatériaux. Bien que la transposition clinique se heurte encore à des difficultés (comme le contrôle précis du détachement enzymatique sous endoscopie), cette étude propose une solution pratique et innovante au dilemme persistant de l'adhésion-détachement dans le domaine des bioadhésifs, jetant ainsi les bases du développement de matériaux chirurgicaux intelligents de nouvelle génération.

 Article original :

Zhang K, Wei Y, Ding H, Zhou Y, Zhou X, Mourran A, Zeng X, Liu S, Song Z, Dittrich B, Chen G, Herrmann A, Zheng L. Conception modulaire d'adhésifs hydrogels pour une cicatrisation tissulaire améliorée. Adv Mater. 10 novembre 2025 : e16770.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202516770