Les hydrogels sont des structures poreuses tridimensionnelles qui peuvent absorber de grandes quantités d’eau. Ils peuvent être constitués de polymères, de protéines, de peptides, de colloïdes, de surfactants ou de lipides.1 La capacité des hydrogels à capter de larges quantités d’eau s’avère très utile pour de nombreuses applications biologiques, notamment la délivrance de médicaments et l’ingénierie tissulaire. Dans la mesure où les propriétés des hydrogels changent lorsqu’ils absorbent de l’eau, les scientifiques doivent caractériser de manière précise leur comportement avec des niveaux de saturation différents et dans des conditions variables.

Le collagène est un exemple d’hydrogel naturel, qui constitue la protéine structurale principale du corps humain. Le collagène est le matériau idéal pour les structures tissulaires grâce à sa nature fibreuse – ses molécules sont étroitement empaquetées dans de longues fibrilles qui, en fonction de leur configuration structurelle exacte, peuvent produire des fibrilles dont la résistance à la traction est similaire à celle de l’acier, avec en plus une certaine flexibilité.

Les remarquables propriétés structurelles et la biocompatibilité du collagène font de cette protéine un matériau largement utilisé, en particulier comme matrice en ingénierie tissulaire.2 Dans la mesure où le collagène est un matériau naturel, ses qualités varient d’un échantillon à l’autre. Il est par conséquent difficile de fabriquer des produits à base de collagène dont les propriétés sont reproductibles. Cependant, la variabilité inhérente des matériaux d’origine naturelle n’est pas une difficulté insurmontable – elle nécessite simplement d’effectuer des essais corrects sur les propriétés des matériaux afin de prévoir le comportement de ceux-ci pour l’application finale.

Dans ce blog, nous utiliserons le collagène comme principal exemple d’hydrogel dont les propriétés sont à caractériser. Néanmoins, les mêmes techniques peuvent s’appliquer à tout autre hydrogel issu d’un matériau source quelconque.

Rhéologie – Mesure du comportement d’écoulement et de déformation des liquides et des solides – il s’agit de la méthodologie idéale pour étudier les hydrogels, tels que le collagène. Les hydrogels sont par essence viscoélastiques, ce qui signifie qu’ils montrent un comportement à la fois visqueux et élastique. La rhéologie dynamique (oscillatoire) caractérise ces matériaux complexes, et permet des mesures quantitatives de la viscoélasticité :

• Module de stockage : quantité d’énergie qui doit être appliquée pour déformer l’échantillon
• Module de perte : énergie perdue lorsque le matériel retourne à sa forme originelle après déformation
• Tangente delta : rapport du module de perte sur le module de stockage et mesure des capacités d’amortissement de l’hydrogel

Ces mesures de viscoélasticité sont essentielles pour essayer de comprendre les différences dans le degré de réticulation, la transition vitreuse, l’hétérogénéité et le poids moléculaire entre des échantillons d’hydrogel, et la mesure selon laquelle ces paramètres impactent les performances lors de l’utilisation finale.¹ Les rhéomètres mesurent facilement la viscoélasticité, et constituent un outil idéal pour optimiser ces qualités.

Une autre mesure importante, essentielle pour les hydrogels, est la contrainte seuil. Un grand nombre d’hydrogels sont des matériaux injectables, aussi la contrainte seuil s’avère très importante dans la mesure où elle détermine comment l’hydrogel sera maintenu au point d’injection. La réponse en cisaillement détermine également la facilité avec laquelle la solution d’hydrogel sera injectée.

Dans la mesure où différents produits de départ à base de collagène peuvent avoir des propriétés physiques et thermiques très variables, les chercheurs doivent caractériser avec beaucoup de soin le collagène dans des conditions d’application réalistes afin de sélectionner les meilleurs matériaux pour des utilisations spécifiques.³ Les capacités de sélection rapide des équipements de tests rhéologiques rendent le traitement industriel du collagène à la fois efficace et d’un bon rapport coût-efficacité.