Qu’arrive-t-il aux cellules durant un traumatisme crânien ou lors de la cicatrisation de la peau? Des scientifiques soutenus par l’UE ont développé une nouvelle méthode expérimentale basée sur des polymères magnétoactifs souples pour étudier le comportement cellulaire.
Les cellules biologiques sont constamment soumises aux contraintes mécaniques de leurs substrats environnants, ce qui affecte la manière dont elles se conduisent. Afin d’étudier leur comportement, des chercheurs soutenus par le projet 4D-BIOMAP, financé par l’UE, ont développé une nouvelle méthode basée sur des polymères magnétoactifs. Ils ont publié leurs conclusions dans la revue «Applied Materials Today».
Cette nouvelle méthode expérimentale et informatique permet aux chercheurs de contrôler en temps réel et de manière non invasive les modes de déformation complexe à l’œuvre dans les substrats cellulaires. Ce système permettra aux scientifiques d’évaluer instantanément les effets mécaniques sur les cellules ainsi que l’impact sur différentes réactions biologiques.
Selon l’étude, la stimulation non invasive est possible grâce à la capacité des matériaux magnétoactifs souples semblables à du caoutchouc, appelés élastomères magnétorhéologiques (MRE), à réagir mécaniquement aux champs magnétiques externes. Les MRE sont composés d’une matrice souple en polymères (polydiméthylsiloxane) contenant des particules magnétiques de la taille du micron (poudre de fer carbonyle). Lorsqu’elles sont soumises à un champ magnétique externe, ces particules se magnétisent et réagissent en modifiant leur forme ou leur rigidité.Le système proposé permettra aux scientifiques d’obtenir de nouvelles informations sur les processus mécanobiologiques déclenchés lors des états de déformation complexe et dynamique comme le traumatisme crânien, la cicatrisation pathologique de la peau et le remodelage cardiaque à la suite d’un infarctus du myocarde. «Nous avons réussi à reproduire les déformations locales qui se produisent dans le cerveau lorsqu’il est soumis à un impact. Il serait ainsi possible de reproduire ces cas en laboratoire, en analysant en temps réel ce qui arrive aux cellules et comment elles sont endommagées.», explique le Dr Daniel García-González de l’Universidad Carlos III de Madrid, en Espagne, hôte du projet 4D-BIOMAP, dans un communiqué de presse publié sur «EurekAlert!». «En outre, nous avons validé le système en démontrant sa capacité à transmettre des forces aux cellules et à agir sur elles.»
Les chercheurs ont conçu un système de stimulation et d’imagerie à composantes multiples qui recourt aux propriétés multifonctionnelles des MRE pour contrôler la déformation mécanique des substrats cellulaires de manière non invasive. Dans un premier temps, ils ont fabriqué différents MRE avec différents degrés de rigidité et d’intensité de couplage magnétomécanique. Après avoir analysé les mécanismes qui régissent le comportement des matériaux, l’équipe a développé un cadre in silico multiphysique et multiéchelle pour guider le dispositif de stimulation expérimentale. La polyvalence et la viabilité du système ont ensuite été démontrées grâce à sa capacité à reproduire des scénarios mécaniques complexes qui simulent des modèles de déformation locale dans le tissu cérébral lors d’un impact à la tête, et grâce à sa capacité à transmettre des forces mécaniques aux systèmes cellulaires (fibroblastes dermiques humains). Comme l’expliquent les auteurs dans leur étude: «Contrairement aux approches précédentes …, nous proposons simultanément: une stimulation mécanique non invasive (grâce aux champs magnétiques), un contrôle en temps réel de la stimulation mécanique, et des modes de déformation (complexe) alternés qui régissent les changements locaux dans la magnitude et les principales composantes de la déformation».
Daniel García-González souligne dans le communiqué de presse: «Nous avons utilisé toute cette science élémentaire, soutenue par la modélisation computationnelle, pour concevoir un système d’intervention intelligent qui, couplé à un microscope développé au sein de l’ERC; nous permet de visualiser la réponse cellulaire in situ. Nous avons ainsi consolidé un cadre complet pour stimuler les systèmes cellulaires avec des matériaux intelligents magnétoactifs».
Le projet 4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymers) d’une durée de cinq ans utilise des approches d’impression performantes pour créer des polymères magnétoactifs et les caractériser dans des applications essentielles liées au fonctionnement du système nerveux. Il prendra fin en décembre 2025.
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