Un nouveau type d’hydrogel aux propriétés très proches de la peau humaine

La synthèse des premiers hydrogels date des années 1950, les chercheurs tentant de développer de nouveaux matériaux biocompatibles et non toxiques possédant des propriétés très similaires à celles des tissus naturels. Une approche pharmaceutique et biomédicale qui s’est cependant très rapidement diversifiée : les hydrogels sont en effet aujourd’hui utilisés et développés dans des domaines très variés (agriculture, spatial, protection anti-feu, robotique…). Constitués d’une matrice polymère capable d’incorporer une grande quantité d’eau, ce qui leur donne des propriétés mécaniques particulières, les hydrogels présentent l’avantage de pouvoir être imprimés en 3D. Cela élargit encore leur gamme d’utilisation et en fait un matériau facilement adaptable à un projet particulier.

Le défi de produire des hydrogels rigides et autocicatrisants

Dans le domaine médical, les hydrogels sont actuellement couramment utilisés dans certains pansements pour favoriser une guérison rapide et prévenir les infections. Ils entrent également dans la composition de médicaments, permettant une meilleure dispersion des molécules actives dans le corps. Dans un certain sens, la peau humaine peut d’ailleurs être comparée à un hydrogel. Très riche en eau, elle possède en effet des caractéristiques (forte rigidité, flexibilité, capacité d’autoréparation) que peuvent mimer les hydrogels de synthèse, indépendamment les unes des autres toutefois. Jusqu’à présent, aucun hydrogel n’arrivait en effet à reproduire la combinaison complète de ces propriétés. L’augmentation de la rigidité d’un hydrogel menait à une réduction de la capacité d’autoréparation. Développer un hydrogel possédant les mêmes caractéristiques que la peau représentait donc un défi, qu’a relevé une équipe de chercheurs des universités d’Aalto (Finlande) et de Bayreuth (Allemagne).

Dans une nouvelle étude publiée par la revue Nature materials, l’équipe annonce ainsi avoir réussi à produire pour la première fois un hydrogel présentant une structure unique permettant d’outrepasser les précédentes limitations en termes de propriétés.

Un nouveau type d’hydrogel qui mime parfaitement la peau humaine

Pour arriver à ce résultat, des nanofeuillets d’argile ont été incorporés à l’hydrogel, dans le but de produire une structure plus ordonnée. Les polymères se retrouvent ainsi densément enchevêtrés entre les nanofeuillets d’argile, ce qui permet d’améliorer les propriétés mécaniques de l’hydrogel tout en conservant sa capacité d’autoréparation. Pour obtenir ce nouveau type d’hydrogel, les chercheurs ont mélangé une poudre de monomères avec de l’eau contenant des nanofeuillets d’argile. La polymérisation a ensuite été obtenue en plaçant le mélange sous une lampe UV. L’enchevêtrement des polymères obtenus permet ainsi d’obtenir un gel très résistant qui, si on le coupe, arrive cependant à se ressouder grâce à la forte mobilité des brins de polymères au niveau moléculaire. À peine 4 heures après avoir été coupé au couteau, cet hydrogel est ainsi réparé à près de 90 %. La reconstruction est complète au bout de 24 heures.

Une stratégie de nanoconfinement qui ouvre la voie à de nouvelles utilisations des hydrogels

En ce sens, les propriétés de ce nouveau matériau sont ainsi très semblables à celles de la peau humaine. Il pourrait présenter des applications intéressantes en médecine, en bio-ingénierie ou dans le domaine de la robotique molle (soft robotics), actuellement en pleine expansion. Une enveloppe de ce type d’hydrogel assurerait en effet une autonomie accrue à ces robots, en les protégeant de manière plus efficace, mais également en leur permettant de s’autoréparer rapidement. Ces résultats permettent donc d’entrevoir un futur où les matériaux ne seraient plus seulement fonctionnels, mais aussi adaptables et résilients, à l’image des tissus naturels.

Des tests ont, de plus, montré que ce nouveau type d’hydrogel possède d’autres propriétés, plutôt inattendues : le matériau montre en effet une capacité renforcée d’adhésion à différents substrats (verre, aluminium, cuivre ou encore écorce d’arbre). Un résultat qui serait à mettre au crédit de la stratégie de nanoconfinement utilisée pour produire cet hydrogel.

Cette stratégie pourrait d’ailleurs être appliquée à d’autres types de gels, ou permettre l’incorporation d’autres fonctionnalités, ouvrant ainsi la voie à des utilisations encore plus diversifiées. Les nanofeuillets d’argile pourraient être remplacés par d’autres nanomatériaux, comme les MXenes (une classe de composés inorganiques qui sont constitués de très fines couches de carbures, nitrures ou carbonitrures). L’étude révèle que cet hydrogel « dopé » aux MXenes présente de très intéressantes capacités de camouflage thermique ! La température de surface mesurée par une caméra infrarouge diffère ainsi de plus de 16°C par rapport à la température interne de l’hydrogel lorsqu’il est porté à 60°C. Autant de propriétés qui devraient rapidement intéresser les industriels de divers secteurs.