Polypeptides thermosensibles inspirés des moules : nouveaux biomatériaux adhésifs chirurgicaux et hémostatiques

Polypeptides thermosensibles inspirés des moules : nouveaux biomatériaux adhésifs chirurgicaux et hémostatiques

1.Contexte de la recherche

Les sutures chirurgicales restent la méthode de fermeture des plaies la plus courante, malgré leurs inconvénients majeurs tels que les cicatrices résiduelles d'aiguilles, l'irritation des tissus et la nécessité de procédures de retrait secondaires. Les adhésifs tissulaires disponibles dans le commerce présentent des défauts importants : la colle de fibrine adhère faiblement en milieu humide, tandis que le cyanoacrylate a une faible biocompatibilité et provoque de fortes réactions inflammatoires, limitant ainsi leur application clinique. Les moules marines peuvent adhérer fermement aux substrats humides grâce à l'abondance de résidus de L-DOPA dans leurs protéines adhésives, ce qui a inspiré de nombreuses recherches sur les adhésifs biomimétiques. Les polymères biomimétiques existants souffrent généralement d'une vitesse de polymérisation lente ou d'une force d'adhérence sous l'eau insuffisante. De plus, la plupart des bioadhésifs décrits ne possèdent pas de capacité de transition sol-gel thermosensible, ce qui les empêche de former rapidement un gel in situ à la température du corps humain pour une hémostase et une fermeture de la plaie instantanées. Les polypeptides possèdent une biocompatibilité, une biodégradabilité et une bioactivité remarquables, ce qui en fait des matériaux de support biomédicaux idéaux. Cependant, les adhésifs polypeptidiques multifonctionnels thermosensibles intégrant des groupes fonctionnels de catéchol, d'arginine, de cystéine et de lysine ont rarement été systématiquement construits et vérifiés pour la réparation de la peau et des os dans des modèles animaux.

2.Importance de la recherche

Ce travail décrit la conception d'une série de polypeptides multifonctionnels thermosensibles par polymérisation par ouverture de cycle NCA, combinant l'adhésion catéchol inspirée des moules, la liaison électrostatique de l'arginine, la réticulation thiol de la cystéine et des segments EG₂-Glu thermosensibles. La recherche caractérise systématiquement leurs propriétés physico-chimiques, leurs performances d'adhésion in vitro et leurs capacités d'hémostase et de réparation tissulaire in vivo, comblant ainsi le manque d'adhésifs chirurgicaux polypeptidiques multifonctionnels. Le matériau composite BPEDAC-BPEDAL développé présente une forte adhésion en milieu humide sur la peau et l'os porcins, une gélification in situ rapide à 37 °C, une faible cytotoxicité et une biodégradation complète. Il offre une stratégie de synthèse simple pour les biomatériaux adhésifs hémostatiques et orthopédiques sans suture de nouvelle génération, fournissant des données précliniques fiables pour le développement translationnel des colles médicales polypeptidiques.

3.Contenu de recherche

Synthèse de monomères NCA fonctionnels et de copolymères polypeptidiques : cinq monomères NCA d’acides aminés (EG₂-Glu-NCA, DOPA-NCA, Arg-NCA, Cys-NCA, Ac-Lys-NCA) sont synthétisés ; quatre copolymères à gradient (BPED, BPEDA, BPEDAC, BPEDAL) sont préparés par polymérisation par ouverture de cycle séquentielle initiée par l’alcoxyde de 1,4-butanediol. La masse moléculaire et la polydispersité sont caractérisées par GPC et diffusion de la lumière laser, et la structure chimique est confirmée par RMN ¹H.

Évaluation des propriétés thermo-réactives et de surface : courbes de transmittance en fonction de la température pour vérifier le comportement de transition sol-gel ; mesure des angles de contact de l'eau à 25 °C et 37 °C pour analyser la transformation hydrophile-hydrophobe dépendante de la température.

Tests de performance d'adhérence in vitro Suivre les normes ASTM pour effectuer l'adhérence par cisaillement sur la peau de porc et l'adhérence par traction sur l'os de porc ; optimiser les concentrations des agents de réticulation HRP/H₂O₂, le temps et la température de durcissement ; tester le module d'élasticité de chaque système polypeptidique.

Évaluation de la dégradation et de la cytotoxicité Réaliser une expérience de dégradation enzymatique PBS pour enregistrer le taux de perte de masse ; adopter le test MTT ISO10993 avec des fibroblastes L929 pour évaluer la biocompatibilité.

Validation du modèle animal in vivo Trois modèles animaux sont établis : un modèle d’hémostase d’hémorragie hépatique chez le rat, un modèle de cicatrisation d’incision cutanée pleine épaisseur et un modèle de réparation osseuse par ostéotomie fémorale ; les pertes sanguines, l’inflammation de la plaie et le remodelage tissulaire sont enregistrés par radiographie et coloration histologique H&E.

4.Résultats de la recherche

Synthèse de polymères et propriétés thermoréactives : Quatre copolymères présentant des taux d’incorporation de monomères contrôlables ont été synthétisés avec succès. Tous les polymères présentent une transition sol-gel abrupte entre 30 et 35 °C ; l’angle de contact passe de 27,5 °C (25 °C) à 72,5 °C (37 °C), ce qui indique une hydrophilie réduite à température corporelle, favorisant une gélification rapide.

Performances d'adhérence exceptionnelles en milieu humide

La résistance maximale d'adhérence par cisaillement sur la peau de porc atteint 101,2 kPa ; l'adhérence par traction osseuse atteint un pic de 603 kPa.

37 °C améliore considérablement la résistance de la liaison par rapport à la température ambiante ; le système hybride BPEDAC-BPEDAL offre la propriété mécanique optimale grâce à la réticulation synergique des groupes catéchol, thiol et guanidinium.

La force d'adhérence augmente rapidement en 0,5 à 60 min de durcissement et se stabilise après 12 h ; une concentration appropriée de 1 % en poids de H₂O₂ et de 1 mg/mL de HRP permet d'obtenir une réticulation oxydative idéale sans dommages dus à une sur-oxydation.

Dégradabilité et biosécurité favorables : le BPEDAC perd plus de 70 % de sa masse en 72 h en présence de PBS contenant des protéases, ce qui démontre la biodégradation complète du polypeptide. Les résultats du test MTT montrent une viabilité cellulaire supérieure à 80 % après 72 h d’incubation, sans dommage morphologique cellulaire apparent, ce qui indique une cytotoxicité négligeable.

Effet hémostatique et réparateur in vivo supérieur

Modèle d'hémorragie hépatique : BPEDAC-BPEDAL réduit la perte de sang de 1,76 g (témoin) à 0,54 g en 3 min avec un scellement instantané par gel.

Incision cutanée : La colle polypeptidique ne provoque qu'une légère inflammation au jour 7, avec une régénération complète du derme et aucune fibrose au jour 14, surpassant les sutures et le cyanoacrylate qui induisent une hyperkératose inflammatoire persistante.

Ostéotomie osseuse : la radiographie et l’histologie prouvent un remodelage osseux complet en 60 jours ; l’adhésif n’entrave pas la prolifération des ostéoblastes ni la reconstruction trabéculaire.

5.Discussion

Comparativement aux adhésifs tissulaires traditionnels, les polypeptides thermosensibles inspirés des moules intègrent de multiples motifs fonctionnels pour réaliser des mécanismes d'adhésion à réticulation multiple, notamment le couplage catéchol, la réaction de clic thiol-ène, les ponts salins électrostatiques et la séparation de phase thermique. Ces mécanismes renforcent conjointement l'adhérence en milieu humide sur les tissus mous et durs. Le segment EG₂-Glu confère une transition sol-gel réversible à température physiologique, permettant une injection in situ mini-invasive et une fermeture instantanée de la plaie sans pré-polymérisation. Le squelette polypeptidique complet assure une biodégradation totale en fragments d'acides aminés à faible toxicité systémique, résolvant ainsi les problèmes de biocompatibilité du cyanoacrylate. Des limitations persistent : la synthèse de plusieurs monomères NCA exige des conditions anhydres strictes, ce qui limite la production industrielle à grande échelle. De futures optimisations permettront de simplifier les voies de polymérisation et d'introduire des matières premières d'acides aminés naturels et peu coûteuses. Parallèlement, la modification des chaînes latérales polypeptidiques renforcera l'activité antibactérienne afin de concevoir des biomatériaux multifonctionnels adhésifs, hémostatiques et antibactériens pour des applications cliniques plus larges, telles que la chirurgie mini-invasive et le traitement des brûlures. De manière générale, cette série de polypeptides thermosensibles lève le goulot d'étranglement des performances des bioadhésifs existants et possède un grand potentiel de transposition commerciale en tant que matériaux de réparation chirurgicale sans suture.

Référence : Lu DD, Wang HS, Li TE, et al. Matériaux adhésifs et hémostatiques chirurgicaux polyvalents : synthèse, propriétés et application de polypeptides thermosensibles [J]. Chemistry of Materials, accepté, publication en ligne le 13 juin 2017. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00255.

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Courriel : jennifer@dilunbio.com