On distingue principalement deux grandes classes de polymères : les polymères naturels et les polymères synthétiques. Les premiers présentent l’avantage d’être souvent parfaitement bicompatibles, biodégradables et permettent les interactions cellulaires intrinsèques. Cependant, du fait de leur origine, des problèmes de reproductibilité de lots peuvent apparaitre. De plus, ils nécessitent une purification plus approfondie pour se débarrasser des impuretés et des endotoxines qui peuvent transmettre des maladies ou agissent comme des adjuvants en suscitant la réponse immunitaire. Enfin, la panoplie de leurs propriétés mécaniques est limitée. Les polymères synthétiques, eux, ont l’avantage majeur de posséder des propriétés chimiques et mécaniques contrôlables et reproductibles. De plus, ils présentent moins de dangers d’immunogénicité et de transmissions de maladies létales (Saito et al. 2005). Toutefois, la plupart d’entre eux ne se dégradent pas dans les conditions physiologiques et l’utilisation de composés chimiques toxiques dans leur synthèse ou leur transformation exige de nombreuses étapes de purification.
Polymère Caractéristiques principales
Polymères naturels
Alginate Gélifie rapidement en présence des cations divalents (Ca2+, Ba2+). Se complexe facilement avec des polycations par liaisons électrostatiques pour former une membrane.
Peut être dégradé chimiquement par des agents chélateurs non complexés avec un polycation.
Agarose Polymère neutre et naturel.
Gélifie par une baisse de température (vers 25-30 °C). Forme des gels relativement faibles mécaniquement
Collagène Composant majeur de la MEC des tissus
Forme des gels thermostatiquement réversibles.;
Peut délivrer de nombreux facteurs de croissance (Tabata et al. 2000) Les gels formés ont peu de forces physiques, ils sont immunogéniques et peuvent êtres chers selon leur origine ;
Soies Protéines fibreuses composées de séquences répétitives de domaines cristallins et amorphes (Gosline et al. 1999).
Naturellement produites par les araignées et les autres insectes ;
Gélatine Forme dénaturée du collagène, composée de molécules simple brin Biocompatible
Forme facilement des gels par changement de température. Souvent utilisée pour la délivrance de protéines (Young et al. 2005). De nombreuses modifications chimiques ont été réalisées pour améliorer les propriétés mécaniques des gels formés (Choi et al. 1999) ;
Fibrine Joue un rôle important dans la cicatrisation naturelle et a souvent été utilisée comme adhésif chirurgical (Laurens et al. 2006).
Le gel de fibrine est formé par la polymérisation du fibrinogène en présence de thrombine.
Les gels de fibrine peuvent être utilisés comme transporteurs autologues de protéines puisqu’ils peuvent être produits à partir du sang du patient.
Leur principal inconvénient est leur faible force mécanique ;
Acide hyaluronique Composant glycosaminoglycane (GAG) de la MEC dans le corps dégradable par la hyaluronidase.
Plus spécialement présent lors de la cicatrisation et dans le liquide synovial des articulations.
Peut former des hydrogels par différentes méthodes de réticulations covalentes (Leach and Schmidt 2005).
Les propriétés mécaniques des hydrogels formés sont faibles ;
Chitosan Préparé par N-déacétylation de la chitine habituellement obtenue à partir de la carapace des crevettes et des crabes.
Excellente biocompatibilité et faible toxicité (Lin et al. 2005). Facilement soluble en présence d’acide (pH <5-6) mais généralement insoluble en conditions neutres ;
Polymères synthétiques HEMA-MMA (hydroxyéthyl méthacrylate-méthyl méthacrylate) Copolymère synthétique.
Non-soluble dans l’eau, ce qui oblige de recourir à l’utilisation des solvants organiques cytotoxiques.
Gel très stable dans les fluides aqueux/physiologiques.
PEG (polyéthylène glycol) et dérivés
Connu pour défavoriser l’adsorption des protéines et l’adhésion cellulaire à la surface des biomatériaux.
Se transforme en gel par la photopolymérisation in situ.
Poly(ethylene oxide) (PEO)
Bonne biocompatibilité et faible toxicité
Peut être utilisé pour la délivrance de protéines (Zhao and Harris 1998).
Polyacrylamide Peut être synthétisé et réticulé avec des protéines natives, des oligodeoxyribonucléotides ou des protéines bi-spiralées pour former des hydrogels (Obaidat and Park 1996),
Poly(vinyl alcool) (PVA)
Physiquement réticulé par gélifications successives de solutions aqueuse de polymères (Cascone 1995) ou réticulés chimiquement avec du glutaraldéhyde (Nuttelman et al. 2001), du succinyl chloride, de l’adipoyl chloride et du sebacoyl chloride (Orienti et al. 2002) pour former des hydrogels.
Poly(propylene fumarate-co- ethylene glycol)
(P(PF-co-EG)
L’homopolymère poly(propylene fumarate) (PPF) est un polyester hydrophobique linéaire dégradé par hydrolyse de la liaison ester Forme des hydrogels quand il est synthétisé comme un bloc de copolymère avec PEG et réticulé chimiquement (Suggs et al. 1999) ou après exposition aux UV (He et al. 2000),
Utilisé comme transporteur injectable pour l’ingénierie osseuse et des vaisseaux sanguins (Suggs and Mikos 1999).
Polymères d’α- hydroxy esters
Formulé en 3-dimensions avec une grande densité en pores interconnectés
Classiquement utilisé comme transporteur de facteurs osteoinducteurs (Yoneda et al. 2005).
Poly(acrylic acid) Perméabilité et l’hydrophilie des gels formés dépendants de l’agent de réticulation
Non dégradables dans les conditions physiologiques.
Polyphosphazene Organometallite dégradable dans les conditions physiologiques. Deux types d’hydrogels peuvent être synthétisés à partir des polyphosphazenes : les ioniques et les non-ioniques.
Préparés en utilisant le N-carboxyanhydride comme monomère de départ et de nombreux polypeptides et copolypeptides
Peuvent être synthétisés à partir de différentes combinaisons d’acides aminés.
Tableau XI : Polymères se transformant en hydrogels et utilisés pour la microencapsulation de cellules ou de tissus
B/ ARCHITECTURE MACROMOLECULAIRE
La grande majorité des biomatériaux destinés à la thérapie cellulaire sont à base d’hydrogels (Li 1998; Uludag et al. 2000; Agnihotri et al. 2004). Les hydrogels sont des réseaux tridimensionnels composés de chaines polymères très hydrophiles et réticulées. Les hydrogels présentent plusieurs avantages comme matériaux de base pour les biomatrices (Li 1998; Uludag et al. 2000) :
- en fonction de leur processus de gélification, certains peuvent former facilement des billes ;
- ils sont souvent transparents, ce qui permet la visualisation des cellules à l’intérieur ; - plusieurs hydrogels naturels peuvent être formés dans des conditions « douces » qui n’ont pas d’effet néfaste sur la viabilité cellulaire ;
- les propriétés mécaniques plastiques et la souplesse des gels minimisent l’irritation des tissus locaux entourant l’implant ;
- leur hydrophilie leur assure une tension interfaciale minimale entre la surface de la biomatrice et les fluides/tissus de l’hôte, ce qui a pour effet d’empêcher l’adsorption des protéines et l’adhésion des cellules ;
- ils sont très perméables aux substances de faibles poids moléculaires, tels que les nutriments et les métabolites, ce qui assure leur libre diffusion.
C/ MICROENCAPSULATION
L’encapsulation des cellules est une technique prometteuse pour délivrer des biomolécules au niveau de sites spécifiques notamment au niveau du système nerveux
central. En effet, de nombreuses études ont montré l’intérêt de l’encapsulation dans des modèles de maladie de Parkinson, d’Alzheimer, de Huntington ou de douleur chronique. De plus, elle permet la transplantation de cellules non-humaines, ce qui est un grand avantage si l’on considère les ressources limitées en donneur.