Des molécules peptidiques « brisant la symétrie » permettent la création de matériaux ferroélectriques à très basse tension et favorisent la croissance neuronale
Aujourd'hui, nous partageons une étude novatrice menée par l'équipe de Samuel I. Stupp et publiée dans la revue Advanced Materials. Cette étude a permis de développer avec succès un nouveau matériau ferroélectrique organique auto-assemblable et soluble dans l'eau, grâce à l'induction d'une rupture de symétrie par des molécules peptidiques. Ce matériau présente non seulement une tension de commande extrêmement faible (±2,5 kV/cm), mais favorise également de manière significative la croissance des axones neuronaux. Ces travaux ouvrent la voie au développement de biomatériaux ferroélectriques biocompatibles et solubles dans l'eau, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour les dispositifs bioélectroniques et la médecine régénérative neuronale.
01 Contexte de la recherche
Les matériaux ferroélectriques, grâce à leur polarisation spontanée réversible par un champ électrique externe, présentent un intérêt considérable pour les dispositifs de mémoire, les dispositifs électro-optiques et l'électronique portable. Comparés aux matériaux ferroélectriques inorganiques, les ferroélectriques organiques offrent des avantages tels que la légèreté, la faible toxicité et la facilité de mise en œuvre, ce qui les rend particulièrement prometteurs pour les applications biomédicales comme la biodétection et l'ingénierie tissulaire. Cependant, le nombre de ferroélectriques organiques décrits reste limité et leurs stratégies de conception sont bien moins abouties que celles des systèmes inorganiques. Ces dernières années, il a été démontré que les cocristaux à transfert de charge donneur-accepteur génèrent une génération de second harmonique (GSH) et de la ferroélectricité par rupture de la centrosymétrie, mais ces matériaux sont souvent difficiles à mettre en œuvre en phase aqueuse, ce qui limite leurs applications biologiques. La chimie supramoléculaire bio-inspirée offre la possibilité de concevoir des nanostructures fonctionnelles biocompatibles et solubles dans l'eau. Des études indiquent que le couplage de chromophores avec des séquences peptidiques peut induire une chiralité, permettant ainsi le développement de propriétés de rupture de symétrie dans les systèmes à transfert de charge. Cette étude vise à explorer une stratégie de rupture de symétrie induite par un peptide pour concevoir de nouveaux matériaux ferroélectriques supramoléculaires et à valider leur fonction biologique dans la régulation du comportement des cellules neuronales.
02 Points forts innovants
- Intégration covalente de donneurs-accepteurs avec des peptides :
L'équipe de recherche a conçu et synthétisé une nouvelle classe de molécules (DA-PAs), liant de manière covalente un donneur d'électrons (naphtalène substitué par un groupe alcoxy) et un accepteur (diimide pyromellitique ou diimide de naphtalène) à un oligopeptide (simple, di- ou tétrapeptide) via un lieur. Cette conception pré-organise la paire donneur-accepteur au niveau intramoléculaire et guide l'auto-assemblage supramoléculaire via le peptide, formant des nanostructures ordonnées à longue portée et jetant ainsi les bases de la ferroélectricité.
- La chiralité des peptides induit un réseau non centrosymétrique :
Une avancée majeure de cette étude réside dans l'induction réussie d'une rupture de symétrie au sein de l'ensemble donneur-accepteur, grâce à l'exploitation de la chiralité intrinsèque des unités peptidiques. La spectroscopie de dichroïsme circulaire (DC) a révélé que les DA-PA contenant des acides aminés chiraux (par exemple, la lysine K et la valine V), tels que DA1-K et DA1-VK, produisent des signaux intenses dans la région d'absorption des chromophores, indiquant que ces derniers se trouvent dans un environnement chiral. Les tests de génération de second harmonique (GSH) ont par ailleurs confirmé que ces assemblages possèdent une structure cristalline non centrosymétrique, condition nécessaire à la ferroélectricité.
- Obtention d'une réponse ferroélectrique et piézoélectrique à température ambiante :
L'équipe de recherche a mesuré avec succès des boucles d'hystérésis polarisation-champ électrique (PE) nettes dans des échantillons de DA-PA séchés, confirmant ainsi leur ferroélectricité. Par exemple, DA2-VK a présenté une polarisation rémanente (Pr) élevée et un champ coercitif (Ec) d'environ ±2,5 kV/cm. De plus, sous stimulation ultrasonore, les échantillons ferroélectriques de DA-PA (par exemple, DA2-VK) ont généré des signaux de tension piézoélectriques correspondant à la fréquence de stimulation, tandis que les échantillons non ferroélectriques (par exemple, DA1) ont montré de faibles réponses, démontrant ainsi leur capacité de conversion électromécanique.
- Les matériaux ferroélectriques favorisent la croissance et la maturation neuronales :
La culture de neurones corticaux primaires de souris sur des revêtements ferroélectriques DA-PA (par exemple, DA1-VK, DA3-VK) a révélé que ces matériaux favorisaient non seulement la survie neuronale, mais augmentaient également de manière significative la complexité de croissance du réseau axonal et l'amplitude des potentiels d'action. Ceci suggère que la polarisation ferroélectrique intrinsèque du matériau pourrait enrichir les facteurs neurotrophiques ou les ions par interactions électrostatiques, mimant ainsi le microenvironnement qui guide la croissance neuronale in vivo et favorisant de ce fait la maturation fonctionnelle des neurones sans nécessiter de stimulation électrique exogène.
03 Résultats et discussion
3.1 Synthèse moléculaire, auto-assemblage et caractérisation du transfert de charge
Cette étude a permis de synthétiser quatre dyades donneur-accepteur (DA1-DA4) et leurs conjugués peptidiques correspondants (DA-PA). La diffraction des rayons X sur monocristal a résolu les structures moléculaires de DA1, DA2 et DA3, révélant un empilement antiparallèle et la formation d'empilements π donneur-accepteur alternés. La spectroscopie d'absorption UV-visible a indiqué que DA1 en solution aqueuse présentait une large bande d'absorption entre 400 et 550 nm, qui disparaissait dans le DMF, prouvant ainsi l'existence d'interactions de transfert de charge intermoléculaires en solution aqueuse, résultant d'un auto-assemblage supramoléculaire. Cette bande de transfert de charge persistait après l'introduction de séquences peptidiques (par exemple, K, VK), indiquant le maintien de l'assemblage.
Figure 1. Structures moléculaires et auto-assemblage des amphiphiles peptidiques donneur-accepteur.
3.2 Nanostructure et caractérisation cristallographique interne
La microscopie électronique à transmission (MET) a révélé que la protéine DA1, dépourvue de peptide, s'auto-assemble en structures rubanées de plus de 5 micromètres de long et d'environ 200 nanomètres de large. La diffraction électronique en aire sélectionnée (SAED) a confirmé sa structure cristalline, avec des espacements moléculaires mesurés (a = 7 Å, b = 16 Å) cohérents avec les données monocristallines. L'introduction d'un peptide unique (DA1-K) ou d'un dipeptide (DA1-VK) a conduit à des nanostructures polydisperses, tout en conservant certaines caractéristiques rubanées. L'analyse SAED a révélé une modification des paramètres cristallographiques de DA1-VK, induisant un nouveau réseau rectangulaire bidimensionnel (a = 7 Å, b = 8 Å), ce qui indique que l'introduction du peptide a altéré l'empilement moléculaire. Les résultats de la diffusion des rayons X aux grands angles (WAXS) ont corroboré les observations de la SAED.
Figure 2. Caractérisation structurale des amphiphiles peptidiques donneur-accepteur.
3.3 Vérification expérimentale de la rupture de symétrie et de la ferroélectricité
La spectroscopie CD a confirmé que l'introduction du peptide conférait une chiralité à l'assemblage du chromophore. L'imagerie SHG a clairement montré que les échantillons DA1-K et DA1-VK présentaient de forts signaux de second harmonique, confirmant la nature non centrosymétrique de la structure globale, à la base de la ferroélectricité. Des tests ferroélectriques clés ont révélé que DA2-VK possédait les meilleures propriétés ferroélectriques. Ses nanostructures rubanées allongées (environ 3 μm) permettaient de combler l'espace entre les électrodes, autorisant ainsi la mesure de boucles d'hystérésis photoélectrique distinctes. En revanche, DA1-VK, avec des nanostructures plus courtes (
3.4 Validation de la fonction biologique : promotion de la croissance neuronale et de la maturation électrophysiologique
Des expériences in vitro ont montré que les taux de survie neuronale sur les revêtements de matériaux ferroélectriques DA1-VK et DA3-VK étaient comparables, voire supérieurs, à ceux du revêtement couramment utilisé, la poly-D-lysine (PDL). L'immunofluorescence et l'analyse morphométrique ont révélé que les neurones cultivés sur DA1-VK et DA3-VK présentaient des zones de couverture du réseau axonal (SMI312 positif) et un cytosquelette neuronal global (Tuj1 positif) significativement plus étendus que ceux du groupe témoin PDL et du groupe DA1-K non ferroélectrique. Des enregistrements patch-clamp en configuration cellule entière ont par ailleurs montré que les neurones cultivés sur DA1-VK ferroélectrique présentaient des amplitudes de potentiel d'action significativement plus élevées que ceux cultivés sur DA1-K non ferroélectrique, témoignant de propriétés électrophysiologiques plus matures. Les chercheurs supposent que le champ électrique interne généré par le matériau ferroélectrique pourrait répartir de manière ordonnée les facteurs bioactifs dans le milieu de culture via des interactions électrostatiques, guidant et favorisant ainsi la croissance et la maturation neuronales.
Figure 3. Survie et croissance des neurones corticaux primaires soutenues par des revêtements de nanostructures amphiphiles peptidiques donneur-accepteur.
04 Conclusion et perspectives d'avenir
Cette étude démontre avec succès une stratégie généralisable pour la conception de matériaux ferroélectriques supramoléculaires par rupture de symétrie induite par des peptides. Le cœur de cette stratégie réside dans le couplage covalent de peptides chiraux avec des chromophores donneur-accepteur, exploitant l'auto-assemblage supramoléculaire des peptides pour guider les chromophores vers la formation de nanostructures cristallines non centrosymétriques, générant ainsi la ferroélectricité. Les matériaux DA-PA obtenus possèdent non seulement d'excellentes propriétés ferroélectriques et piézoélectriques, mais peuvent également favoriser efficacement l'adhésion neuronale, la croissance axonale et la maturation électrophysiologique in vitro, démontrant un immense potentiel pour les applications biomédicales.
L'importance de ce travail réside dans l'adéquation précise entre le concept d'assemblage « ascendant » de la chimie supramoléculaire et les exigences de performance des matériaux fonctionnels (ferroélectriques). Ici, les peptides servent non seulement d'unités structurantes, mais aussi d'éléments fonctionnels clés pour induire une rupture de symétrie. Cette stratégie pourra être étendue dans les directions suivantes : ① En sélectionnant des séquences peptidiques présentant différentes propensions à l'auto-assemblage ou en modulant les conditions d'assemblage, il sera possible de contrôler précisément la morphologie et la polarisation des nanostructures, et ainsi d'adapter les propriétés ferroélectriques. ② En explorant l'application de ces matériaux dans des domaines biomédicaux plus vastes, tels que la réparation nerveuse et l'ingénierie tissulaire osseuse. ③ En les combinant à des procédés de fabrication avancés, comme la synthèse en flux continu, pour favoriser la mise à l'échelle et l'intégration de ces matériaux ferroélectriques souples dans des dispositifs, offrant ainsi une nouvelle plateforme de matériaux pour les interfaces bioélectroniques et les dispositifs médicaux implantables de nouvelle génération.
Article original :
Passarelli JV, Yang Y, Smith CS, Hao J, Dave DR, Narayanan A, Álvarez Z, Johnson BK, Marshall KA, Fithian I, Sai H, Qiu R, Stern CL, Palmer LC, Kiskinis E, Stupp SI. Ferroélectricité induite par les peptides dans les matériaux supramoléculaires à transfert de charge. L'avocat Mater. 10 janvier 2026 : e14940.
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202514940