Claire HOA-REN a réalisé sa thèse au Cermav sous la co-Direction de Raphaël MICHEL (Chargé de Recherches CNRS) et de Rachel AUZELY-VELTY (Professeure Université Grenoble Alpes).
Ses travaux sont intitulés « Conception d’hydrogels à changement de forme programmable à base de polysaccharides et de fibres biocompatibles ».
Résumé de la thèse :
« Les hydrogels sont des réseaux tridimensionnels de polymères hydrophiles qui gonflent en milieu aqueux. Leur ressemblance structurelle avec la matrice extracellulaire en fait des matériaux prometteurs pour les applications biomédicales. Les hydrogels classiques présentent une structure isotrope qui induit un gonflement uniforme en milieu aqueux. Au contraire, les hydrogels à changement de forme (ou « métamorphes ») subissent un gonflement anisotrope qui mène à leur déformation. Une stratégie pour concevoir ces systèmes repose sur l’introduction de microfibres rigides au sein de la matrice polymère. Lorsque ces fibres sont alignées dans le réseau macromoléculaire, elles agissent comme des contraintes mécaniques locales, limitant ainsi le gonflement dans la direction de leur orientation. Cette approche permet ainsi de diriger le gonflement et de piloter les contraintes internes du matériau pour obtenir une forme cible. Grâce à cette maîtrise, il devient possible de générer des déformations complexes, reproduisant des morphologies proches de celles observées dans les tissus vivants. Cependant, pour transposer ces systèmes en ingénierie tissulaire, un défi majeur persiste : concilier l’utilisation de composants biocompatibles avec un contrôle physico-chimique fin, indispensable à la programmation robuste et reproductible de ces déformations.
Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de concevoir des hydrogels composites métamorphes à déformation programmée à partir de composants biocompatibles (matrice polysaccharidique et microfibres rigides).
Pour y parvenir, des microfibres d’hydroxyapatite (HAp), phase cristalline du phosphate de calcium (CaP) présente dans le tissu osseux, ont d’abord été synthétisées pour servir de guide de déformation. Ces fibres ont été recouvertes de nanoparticules d’oxyde de fer (IONPs) pour leur conférer une susceptibilité magnétique. Et la faisabilité de leur alignement par un champ magnétique a été démontrée dans une résine de basse viscosité. Par la suite, l’acide hyaluronique (HA), un polysaccharide naturellement abondant dans le corps humain, a été fonctionnalisé par des groupes méthacrylate (MA) afin de le rendre photoréticulable. Des hydrogels de HA ont été synthétisés par photopolymérisation puis caractérisés grâce à une étude physico-chimique. Celle-ci a permis d’identifier les conditions requises pour obtenir un gel alliant des propriétés mécaniques adaptées et un comportement de gonflement compatible avec la conception d’hydrogels métamorphes. L’étape suivante a consisté à étudier l’alignement magnétique des fibres dans des solutions de HA-MA, avant leur photoréticulation. Pour cela, l’influence de paramètres physicochimiques clés, tels que la taille et la susceptibilité magnétique des fibres, la viscosité de la solution polymère et l’intensité du champ magnétique, a été évalué expérimentalement. Cette étude systématique a permis d’établir des conditions garantissant un alignement significatif et reproductible des fibres. L’impact de cette microstructure anisotrope sur la direction du gonflement a ensuite été analysé. Les résultats ont révélé un gonflement directionnel marqué, confirmant l’effet de l’alignement des fibres sur la déformation du matériau. Une étude complémentaire a été menée pour amplifier le caractère anisotrope du gonflement, en optimisant les interactions entre les fibres et le réseau polymère. Ce gonflement anisotrope a, par la suite, été exploité pour concevoir des hydrogels métamorphes capables d’adopter, de manière programmée, des formes complexes inédites avec des systèmes à base de composants biocompatibles (courbures, torsions, courbures gaussiennes négatives). Finalement, la biocompatibilité de l’ensemble des composants a été confirmée. Cependant, les tests d’ensemencement cellulaire ont montré une faible adhésion des fibroblastes, nécessitant des optimisations pour des applications en ingénierie tissulaire. »