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Jun 26, 2023

Une méthode simple pour la production d’hydrogels macroporeux 3D de grand volume pour des applications biotechnologiques, médicales et environnementales avancées

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 21154 (2016) Citer cet article 12 000 accès 89 citations 5 Détails d'Altmetric Metrics Le développement de polymères macroporeux en vrac, tridimensionnels (3D)

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 21154 (2016) Citer cet article

12 000 accès

89 citations

5 Altmétrique

Détails des métriques

Le développement de polymères macroporeux en vrac, tridimensionnels (3D), dotés d’une perméabilité élevée, d’une grande surface et d’un grand volume, est hautement souhaitable pour une gamme d’applications dans les domaines biomédical, biotechnologique et environnemental. Les techniques expérimentales actuellement utilisées se limitent à la production de matériau cryogel de petite taille et de petit volume. Dans ce travail, nous proposons une méthode nouvelle, polyvalente, simple et reproductible pour la synthèse d'hydrogels polymères poreux de grand volume par cryogélation. En contrôlant le processus de congélation de la solution réactif/polymère, des gels macroporeux 3D à grande échelle avec de larges pores interconnectés (jusqu'à 200 μm de diamètre) et une grande surface accessible ont été synthétisés. Pour la première fois, des gels macroporeux (jusqu'à 400 ml de volume apparent) avec une structure poreuse contrôlée ont été fabriqués, avec un potentiel d'extension jusqu'à des dimensions de gel beaucoup plus grandes. Cette méthode peut être utilisée pour la production de nouveaux matériaux composites macroporeux multi-composants 3D avec une répartition uniforme des particules incorporées. Le procédé proposé permet un meilleur contrôle des conditions de congélation et surmonte ainsi les inconvénients existants limitant la production de grands dispositifs et matrices à base de gel. La méthode proposée pourrait servir de nouveau concept de conception pour la préparation fonctionnelle de gels macroporeux 3D et de composites destinés à des applications biomédicales, biotechnologiques et environnementales.

Les gels polymères macroporeux ont été utilisés dans un large éventail d'applications, notamment l'ingénierie tissulaire, comme échafaudages cellulaires, dans les bioréacteurs, comme matériaux pour les séparations biologiques et chimiques et comme adsorbants dans les applications biomédicales et environnementales. La porosité dans les gels peut être créée par différentes approches : séparation de phases1 à l'aide de ce que l'on appelle des porogènes (additifs chimiques qui génèrent des pores), lyophilisation2,3, via la formation de mousse et via la cryogélation4,5. Cette dernière méthode est l’une des techniques les plus polyvalentes utilisées au cours des dernières décennies pour façonner la structure poreuse des gels polymères5,6,7. La technologie est simple ; il ne nécessite généralement qu'un seul cycle de congélation-dégivrage de la solution réactif/polymère et permet de produire des matériaux de morphologie, de propriétés mécaniques et de perméabilité variables8,9. Cette technique est plus respectueuse de l'environnement que les techniques alternatives, car le solvant le plus couramment utilisé est l'eau et il n'est pas nécessaire d'utiliser des solvants organiques pour éliminer le gabarit porogène. Le polymère poreux se forme dans des conditions semi-congelées lorsque la majeure partie du solvant est solidifiée, formant des cristaux de solvant à des températures inférieures au point de congélation normal, la polymérisation ayant lieu dans les canaux intercristallins contenant une solution non congelée. L'augmentation de la température une fois la polymérisation terminée conduit au dégivrage des cristaux de solvant et à la formation de vides interconnectés (macropores) dans la structure polymère remplie de solvant. Un intérêt particulier est apparu en raison de la haute perméabilité (et par conséquent de la faible résistance à l'écoulement) des gels préparés à partir de solutions aqueuses et de leur capacité à filtrer les micro et macroparticules sans colmatage ni blocage des pores10. Cela ouvre la possibilité de concevoir des dispositifs pour la séparation des cellules et des bioparticules10,11,12,13, la perfusion sanguine directe14, l'ingénierie tissulaire15,16,17,18,19,20, le traitement de l'eau21,22,23 et les bioréacteurs24,25,26. Malgré l’utilisation généralisée de la technique de cryogélation pour la production de gels macroporeux, le phénomène de congélation de la solution réactive initiale et la formation de cristaux de solvant ne sont pas entièrement compris. Bien que certains progrès aient été réalisés dans le contrôle de la taille des cristaux de solvant dans de petits échantillons en faisant varier la température et la vitesse de refroidissement ou la composition du mélange de réactifs, afin de produire des structures avec des gradients de pores et des pores anisotropes27, il existe une difficulté reconnue dans le contrôle de la nucléation de la glace et, par conséquent, la cinétique de congélation et les conditions de formation des cristaux de glace, dans la plupart des échantillons de plus grande taille. Cela conduit à un mauvais contrôle de la morphologie des gels macroporeux résultants, en particulier dans les structures 3D plus grandes. En effet, tous les travaux effectués jusqu’à présent l’ont été en laboratoire et à petite échelle. Les gels produits à ce jour sont de petite taille (quelques millilitres en volume ou avec au moins une petite dimension (environ 2 cm ou moins)) ou ont une distribution variable de la taille des pores dans l'échantillon. Pour les applications de séparation à plus grande échelle ou d’ingénierie/biotechnologie, une méthode simple et reproductible de préparation de gels macroporeux de grand volume avec un contrôle amélioré de la structure et de la perméabilité des pores est requise. Une autre limitation concerne la fabrication de grands matériaux composites macroporeux avec des nano et microparticules intégrées dans une matrice perméable 3D. La densité des solutions aqueuses de précurseurs utilisées pour la formation du gel via la méthode de cryogélation est généralement très faible, donc assurer une distribution uniforme de nanoparticules ou microparticules denses dans les gels présente une difficulté particulière. Les particules se séparent pendant le processus de congélation, ce qui entraîne la défaillance totale du composite ou la formation de gels macroporeux avec une répartition inégale des particules8. Cet article étudie la congélation des systèmes de gel et la relation entre les conditions de congélation et la morphologie du gel formé. Le transfert de chaleur dans la masse de grands échantillons est évalué et une nouvelle méthode impliquant la pré-congélation d'un grand volume de solution réactive avant de commencer la formation du gel est proposée. Pour la première fois, nous démontrons la production d'échantillons et de composites de gel macroporeux de grand volume (400 ml ou plus) avec un contrôle efficace et reproductible de la structure poreuse. Cette approche ouvre de nouvelles opportunités pour produire des gels de grand volume pour des applications avancées de séparation, d'adsorption ou structurelles et pour générer de nouvelles structures 3D avec des micro et nanoparticules intégrées.