Gélatine fonctionnalisée sur mesure – fabriquée avec des résultats reproductibles

La gélatine ne sert pas seulement à lier les oursons en gomme, les puddings à la crème et les gélules molles. Grâce à sa capacité à former des films sans soudure et mécaniquement stables, ce biopolymère est également très demandé pour les revêtements, notamment sur les textiles, le papier ou les pellicules photographiques, où la gélatine sert de support aux pigments et aux produits chimiques. Cette protéine naturelle est également hautement biocompatible, ce qui la rend adaptée à des applications dans les domaines des cosmétiques et de la médecine, par exemple comme support pour des principes actifs et des colorants ou comme pansement gonflable pour les plaies.

Cependant, il est souvent nécessaire d’adapter spécifiquement les propriétés du matériau, par exemple pour une utilisation en bio-impression 3D. En raison de son comportement de gélification dépendant de la température, la gélatine n’est fluide qu’à des températures élevées, mais perd sa stabilité dimensionnelle dans des conditions physiologiques. Dans de tels cas, l’Institut Fraunhofer d’ingénierie interfaciale et de biotechnologie (IGB) optimise les propriétés de la gélatine afin de répondre à des exigences spécifiques à l’aide de réactions de modification chimique.

« Pour une utilisation en bio-impression, nous modifions la gélatine de manière à pouvoir ajuster spécifiquement à la fois les propriétés de l’encre biologique et la stabilité structurelle après impression », explique le Dr Achim Weber, responsable de la division Biofabrication et développement des matériaux à l’Institut Fraunhofer IGB. Outre les points de gélification et de fusion – et donc le comportement de gélification –, la viscosité, la solubilité et la charge du biopolymère peuvent également être adaptées à l’application spécifique.

Une boîte à outils pour une fonctionnalisation sur mesure

Dans le cadre de la bio-impression, les chercheurs utilisent généralement de l’anhydride méthacrylique pour rendre la gélatine réticulable. « La gélatine méthacrylée allie la biocompatibilité de la gélatine à la capacité de durcir sous l’action des rayons UV », explique Melanie Dettling, qui réalise et supervise les modifications chimiques en laboratoire. Dès que la gélatine modifiée est exposée à la lumière UV – à l’aide d’un photo-initiateur – après le processus d’impression, elle se réticule pour former un hydrogel solide. Dans ce cas, le matériau imite la matrice extracellulaire (MEC) propre à l’organisme et, en tant que support structurel, favorise l’adhésion, la croissance et la différenciation des cellules, permettant ainsi la formation de nouveaux tissus.

La gélatine ainsi modifiée a été utilisée dans le cadre du projet européen TriAnkle, en association avec du collagène et du collagène modifié. Dans ce contexte, les biomatériaux ont servi de système de délivrance sur mesure pour les cellules et les facteurs de croissance. Des études précliniques utilisant des implants sur mesure pour traiter des lésions de l’articulation de la cheville ont démontré une régénération nettement améliorée des tissus tendineux et cartilagineux, une réduction des réponses inflammatoires et une cicatrisation accélérée.

Selon l’application visée, d’autres fonctionnalisations peuvent également permettre d’obtenir les résultats souhaités. « Par exemple, nous introduisons des groupes thiol dans les biopolymères pour permettre la réticulation via ce que l’on appelle des réactions de type “click” », explique Dettling. La réticulation peut ainsi se produire de différentes manières : par voie photochimique à l’aide d’un rayonnement UV, par voie thermique ou par des réactions chimiques.

Grâce à leur système modulaire flexible, les chercheurs ont également pu augmenter la charge positive de la gélatine. Lors d’un test rapide au chevet du patient, ces hydrogels de gélatine cationisés ont été utilisés avec succès pour incorporer des composants réactionnels clés et immobiliser les molécules cibles chargées négativement.

Un processus automatisé et standardisé pour des propriétés matérielles constantes

Pour tester les propriétés du matériau optimisé, les partenaires issus de la recherche et de l’industrie ont généralement besoin de quantités plus importantes de biopolymères fonctionnalisés. Afin de permettre une production à grande échelle et reproductible de gélatine fonctionnalisée, l’équipe de développement des matériaux du Fraunhofer IGB a désormais mis au point de nouveaux procédés dans des systèmes de réacteurs automatisés.

Dans les réacteurs automatisés, tous les paramètres de procédé pertinents sont systématiquement enregistrés et ajustés conformément à une procédure opérationnelle standard (SOP) spécialement définie – de la température et du débit d’anhydride méthacrylique, par exemple, au pH et à la quantité de solution d’hydroxyde de sodium ajoutée. M. Dettling a pu démontrer que le degré de méthacrylation de la gélatine obtenu dans le réacteur de 1 litre est linéairement proportionnel à l’excès d’anhydride méthacrylique dans la solution d’alimentation – un résultat qui n’avait pas pu être mis en évidence de cette manière lors de la production manuelle en ballon.

« Dans notre réacteur de 1 litre, nous pouvons désormais produire de manière reproductible 100 grammes de gélatine modifiée d’une qualité absolument constante », explique M. Dettling. Ce chimiste appliqué transpose actuellement le contrôle de processus standardisé à des réacteurs d’une capacité de 5 et 10 litres afin de démontrer que les propriétés du matériau restent reproductibles même à une échelle supérieure. Un seul lot permettra alors de produire jusqu’à un kilogramme de gélatine fonctionnalisée.

Fonctionnalisations comparables sur des quantités d’échantillons

Le contrôle automatisé du processus permet de réaliser différentes fonctionnalisations chimiques dans des conditions de procédé standardisées, ce qui permet de comparer directement entre eux les effets des modifications.

« Nous pouvons désormais attribuer clairement les différences de propriétés des matériaux à la modification chimique correspondante et exclure la possibilité qu’elles soient dues à des conditions de fabrication variables », explique M. Dettling. Les matériaux fabriqués sont mis à la disposition des entreprises et des partenaires de recherche à des fins d’échantillonnage. Ces partenaires peuvent tester les propriétés des matériaux, évaluer des applications ou mener des études de faisabilité pour le développement de leurs produits sans avoir à mettre en place leurs propres processus de développement ou de mise à l’échelle.

Large éventail d’applications pour les polymères biosourcés fonctionnalisés

« La gélatine modifiée convient comme hydrogel, comme matériau support ou comme composant structurant dans les systèmes biomédicaux ou les produits de soins personnels, ainsi que pour les matériaux fonctionnels et les revêtements qui nécessitent des interactions spécifiques, des propriétés barrières ou des propriétés adhésives », a déclaré M. Weber. Cela inclut également les systèmes de test in vitro et les plateformes de diagnostic microfluidiques qui nécessitent des matériaux définis, pouvant être fabriqués de manière reproductible, avec des propriétés de surface ou intrinsèques contrôlées.

Les concepts de procédés utilisés au Fraunhofer IGB ne se limitent pas à la gélatine. Au contraire, les propriétés des autres polymères d’origine biologique – tels que le collagène, le chitosane, l’inuline et l’acide hyaluronique – peuvent également être spécifiquement adaptées grâce à leur bonne modifiabilité chimique, que ce soit pour l’encapsulation visant à obtenir une libération contrôlée ou pour des applications de revêtement.