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Elasticité des membranes de collagène chargées en nanoparticules et réponse sous champ électrique du collagène

Fiche technique

  • Intitulé : Elasticité des membranes de collagène chargées en nanoparticules et réponse sous champ électrique du collagène
  • Thèmes :
    • propriétés élastiques liées au confinement
    • approche interdisciplinaire Physique - Biologie.
  • Financement :
    • MATISSE : 100%
  • Responsable scientifique du projet :  Laurent Belliard
    Laboratoire/équipe : "INSP " Acoustique pour les nanosciences"
  • Co-porteurs : 
    • Ahmed Hamraoui
      Équipe : LCMCP/ Équipe matériaux et biologie
  • Localisation : INSP/LCMCP

Présentation du projet scientifique

Le collagène est un matériau naturel abondant constitué de protéines fibreuses représentant environ 25% de la protéine corporelle totale dans les tissus conjonctifs humains. En plus de cette disponibilité, sa préparation est facile, il se dégrade dans les environnements biologiques, finit par disparaître en ne laissant aucun résidu étranger permanent. Par conséquent, il présente un fort potentiel en médecine pour les biomatériaux polyvalents et compatibles avec des tissus humains. Ce besoin reste prégnant malgré l'activité récente dans le développement et l'essai de divers polymères synthétiques. Les besoins cliniques comprennent des dispositifs implantables, tels que des vaisseaux sanguins ou des valves cardiaques, et des dispositifs extracorporels, y compris des reins artificiels et des machines coeur-poumon. La compréhension des mécanismes moléculaires de l'assemblage du collagène sont ainsi importants pour la maîtrise d'innombrables procédés biotechnologiques qui représente une condition sine qua non pour les applications médicales.

La connaissance de la structure et des interactions de ce matériau pourrait conduire à la préparation d'une classe unique et innovante de biomatériaux pour des essais cliniques. Ces biomatériaux devraient être progressivement métabolisés et remplacés par des tissus hôtes. Le but de ce projet est de rassembler nos compétences pour étudier les propriétés du collagène afin de corréler les paramètres viscoélastiques, structuraux et des effets piézoélectriques (PÉ) de ce dernier.

Le premier volet de cette étude sera orienté vers l'élasticité de couche minces. L'adjonction de nanoparticules (silices, matériaux nobles...) de nature et de densité contrôlable au sein d'une matrice de nature biologique tel que le collagène affecte certes les fonctionnalités sur le vivant mais également son élasticité, ces deux aspects étant intimement liés. Nous nous proposons d'étudier l'évolution de ces propriétés dans l'hypothèse des milieux effectifs, justifiée au vu de la taille nanométrique des particules bien inférieure aux longueurs acoustiques qui seront mises en jeu. Les approches tout optique dont l'équipe "Acoustique pour les nanosciences" de l'INSP a développé un savoir reconnu internationalement sont dans ce contexte des approches expérimentales pertinentes. L'idée de base repose sur la génération d'ondes acoustiques dont les vitesses de propagation représentent des indicateurs pertinents de l'élasticité du milieu. La génération acoustique est assurée par l'échauffement quasi-instantané d'une couche métallique communément appelée transducteurs acoustiques. L'élasticité de couches isotropes requiert l'extraction de deux vitesses de propagation d'onde mécanique l'une de polarisation transverse et l'autre de polarisation longitudinale.

L'aspect longitudinal peut être envisagé au travers de différentes pistes complémentaires. La première consiste à mesurer le coefficient de réflexion à l’interface couche/transducteur. Ce paramètre fait intervenir l’impédance acoustique de part et d’autre du dioptre et donc en l’occurrence celle de la couche chargée de nanoparticules. Alors que cette approche nécessite des mesures en réflexion, il est également possible, à partir d’une géométrie en transmission de sonder l’onde acoustique transmise dans le système à l’aide de la diffusion Brillouin résolue en temps. Ces deux approches peuvent être effectuées avec une résolution spatiale de l’ordre du micromètre ce qui permettra de caractériser l'effet des gradients sur le comportement mécanique. Le volet transverse sera abordé au travers de la génération d'onde d'interface et de leur propagation accessible grâce à des cartographies interférométriques résolues en temps, aspect innovant dans le domaine. Une approche alternative consiste à réaliser une synthèse de front d'onde virtuel résolue angulairement destiner à exacerber la détection des ondes transverses.

Les résultats récents, obtenus dans le cadre de l'appel à projet Emergence de l'Université Pierre et Marie Curie, sur des couches fines de collagènes et de fibrine de natures variées attestent de la validité de ces approches. L’application des techniques assistées par des lasers femtosecondes à l’étude élastique d'objets biologiques au sens large couplé au caractère in-vivo, souvent associé, représente un des caractères innovants ces études.

Le second volet sera orienté vers l'étude des propriétés élastiques sous champ électrique. En effet des études approfondies sur les propriétés piézo-électriques de l’os et d'autres matériaux biologiques, tels que les muscles, la peau, les parois des vaisseaux sanguins et d'autres tissus, ont été signalés [1-4]. Cet effet a été essentiellement étudié [1, 2, 7-10] dans le cadre des tissus osseux. Dans ce cas il a été démontré que la piézoélectricité pouvait être considérée comme une propriété étendue du tissu vivant, jouant un rôle important dans plusieurs phénomènes physiologiques [2]. Ainsi, pour les os, l'effet PÉ peut jouer le rôle du facteur qui détermine la relation entre la charge et le réarrangement de l'os selon les conditions d'application de la charge [7]. Il a été montré que l'aspect de l'effet PÉ est lié à la composante organique du tissu, représentée principalement par la protéine collagène. Plusieurs origines ont été attribuées à l'apparition de potentiels électriques dus à l'action mécanique [11]. La piézoélectricité des tendons secs a été mesurée [12], ainsi que les potentiels électriques générés dans le tendon hydraté [13-14], le coefficient piézoélectrique diminuant avec l'augmentation de l'hydratation [15]. Néanmoins, le mécanisme de l'apparition de l'effet PÉ dans les os et d'autres objets biologiques n'a pas encore été réellement élucidé. Ainsi, le rôle dans l'apparition de l'effet PÉ des liaisons intra- et intermoléculaires n'a pas été clairement établi et celui des moments dipolaires des résidus d'acides aminés, des liaisons peptidiques et des liaisons hydrogène n'a pas été déterminé. Le but de cette partie du travail est d'étudier, dans des structures de collagène, les détails du mécanisme de l'effet PÉ lié à sa structure moléculaire et supramoléculaires. Pour ce faire, nous réaliserons des films de collagène que nous exposerons à un champ électrique uniforme pendant une durée variable allant de 1 à 24 h. En modifiant la configuration d'application du champ électrique (dans le plan ou perpendiculaire au film) l'effet du type d'organisation des molécules de collagène ainsi que la dépendance en température sur les propriétés élastiques sera abordé avec les approches expérimentales citées précédemment.

Pour être mené à bien ce projet requiert deux dispositifs; un miroir tiltable par effet piézoélectrique qui restera à demeure sur le banc d'acoustique (INSP) afin de réaliser dans des conditions optimales les cartographies acoustiques et une enceinte régulée en température et en humidité qui elle équipera les environnements de microscopie du LCMCP mais également compatible avec les bancs optiques de l'INSP afin de mener des caractérisation in situ.

  1. E. Fukada and I. Yasuda, “On the piezoelectric effect of bone,” J. Phys. Soc. Jpn., 12, 1158-1162 (1957).
  2. M. Shamos and L. Lavine, "Piezoelectricity as fundamental property of biological tissues, Nature, 213, 267-269 (1967).
  3. E. Fukada and K. Hara, “Piezoelectric effect in blood vessel walls,” J. Phys. Soc. Jpn., 2__66, 777-780(1969).
  4. E. Fukada, “Piezoelectric properties of organic polymers,” Ann. N.Y. Acad. Sci., 238, 7-24 (1974).
  5. Y. Wada and R. Hayakawa, Piezoelectrieity and pyroelectricity of polymers," Jpn. J. AppL Phys., 15,2041-2057 (1976).
  6. Panel discussions of conference: Electrically Mediated Growth Mechanisms in Living Systems, Ann.N.Y. Acad. Sci., 238, 228-235,451-456, 586-593 (1974).
  7. A. Bassett, “Biological significance of piezoelectricity”, Calc. Tiss. Res., 1, 252-272 (1968).
  8. G. Cochran, R. Pawluk, and A. Bassett, "Electromechanical characteristics of bone under physiologicalmoisture conditions," Clin. Orthop., 582 249 (1968).
  9. E. Fukada, "Piezoelectricity in polymers and biological materials," Ultrasonics, 6, 229-234 (1968).
  10. J.J. Telega, R. Wojnar, J. Theor. Appl. Mech. 40 (2002) 723-759. 11. W. Williams, "Sources of piezoelectricity in tendon and bone, CRC Crit. Rev., Bioengineering, 2, 95-118 (1974).
  11. E. Fukada, I. Yasuda, Jpn. J. Appl. Phys. 3 (1964) 117.J.C. Anderson, C. Eriksson, Nature 227 (1970) 491-492.
  12. D. Gross, W.S. Williams, J. Biomech. 15 (1982) 277-295
  13. A.A. Marino, R.O. Becker, Nature 253 (1975) 627-628.

21/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
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