Comme expliqué précédemment, les hydrogels sont très utilisés pour étudier l’influence des propriétés mécaniques du substrat sur le comportement cellulaire. Avant d’étudier les interactions matériau-cellules, il est nécessaire de caractériser la rigidité de ces substrats. La rigidité des hydrogels et des autres biomaté- riaux est caractérisée par spectroscopie de force (= ensemble des techniques permettant d’étudier les pro- priétés mécaniques d’un matériau donné).
Plusieurs techniques permettent de mesurer la faible élasticité d’un hydrogel (en général de l’ordre du kPa) : test de traction, de compression (confinée ou pas), d’indentation, de rhéométrie de flux ou encore d’analyse mécanique dynamique (Figure 1-13) (Oyen 2014).
Figure 1-13|Techniques de caractérisations mécaniques des hydrogels. La rigidité des hydrogels est mesurée par des techniques
de spectroscopie de force comme des tests de traction (a), de compression (b), de compression confinée (c), d’indentation (d), de rhéométrie de flux (e) ou encore d’analyse mécanique dynamique (f). Adaptée de (Oyen 2014)
L’indentation est une méthode de mesure de module de Young, basée sur l’utilisation d’une sonde mise au contact de la surface du matériau avant d’être retirée. A l’origine, l’indentation, qui est en réalité une ver- sion locale du test de compression, était utilisée pour mesurer la dureté des métaux. La préparation mini- male des échantillons en a fait une technique couramment utilisée. Dans le cadre des mesures de rigidité des hydrogels ou des PEM, l’indentation est associée au principe de microscopie de force atomique (AFM).
1.5.1. Nano-indentation par microscopie à force atomique AFM
La nano-indentation par AFM est caractérisée par l’application d’un cycle de compression, les nano- indentations, au niveau de la surface du matériel à l’aide d’une sonde colloïdale. Cette sonde colloïdale d’un diamètre connu (2R) est fixée sur un cantilever disposant d’une constante de raideur connue. Les in- dentations se font à l’aide du moteur piézoélectrique de l’AFM sous la forme d’approche-retrait. Dans cette configuration, la sonde exerce une force perpendiculaire à la surface, qui compresse le matériau. Les dépla- cements du moteur piézoélectrique et du cantilever sont enregistrés au cours des cycles de compression appliqués à la surface du matériel. La déviation du cantilever liée à l’indentation est mesurée grâce à un faisceau laser. Comme en AFM, le faisceau laser dirigé vers le cantilever est réfléchi sur une photodiode à quadrant. Le module de Young du matériau en un point précis est donné par la variation de l’indentation du cantilever, la force appliquée par ce dernier au niveau de la surface du matériau et le rayon de la sonde colloïdale (Figure 1-14) (Francius 2006).
Figure 1-14|Principe de nano-indentation par AFM. Une sonde colloïdale de diamètre connu est fixée sur un cantilever ayant une
constante de raideur kc. A l’aide d’un moteur piézoélectrique, la sonde va exercer une force perpendiculaire à la surface du maté- riau, qui va le comprimer. Le piézoélectrique permet ces indentations sous forme d’approche-retrait. Les déplacements du piézo ainsi que la déviation du cantilever, induite par la résistance aux forces du biomatériau, sont mesurés. La mesure de la déviation du cantilever se fait à l’aide d’un laser et d’une photodiode à quadrant comme dans un AFM classique. L’indentation δ est la différence mesurée entre les deux déplacements. Elle permet à l’aide de la force F appliquée par le cantilever (dépendant de kc) et du rayon R de la sonde d’obtenir le module d’Young E. Adaptée de (Francius 2006)
1.5.2. Mesure du module de Young
La position du cantilever d et celle de l’échantillon (placé sur la céramique piézoélectrique) z en fonction du temps t sont mesurées et recueillies sous forme de tension électronique. L’indentation δ correspond à la différence entre le déplacement de la céramique piézoélectrique z et la déflection du cantilever d.
𝛿 = Δ𝑧 − Δ𝑑 = (𝑧 − 𝑧0) − (𝑑 − 𝑑0)
Cette relation couplée à la définition du point de contact, permet d’associer à z0 (déplacement de la céra-
mique piézo) sa valeur. A l’aide de la constante de raideur kc du cantilever et de sa déflection d, il est pos-
𝐹 = 𝑘𝑐Δ𝑑
La force F appliquée par la sonde colloïdale sur le matériau, l’indentation δ et le rayon de la sonde R per- mettent de définir le module de Young E du matériau testé :
𝐸 =𝑅δ
Introduction à la mécano-biologie
De nombreux biomatériaux, plus particulièrement des hydrogels, ont été développés afin de mi- mer la matrice extracellulaire. Si l’effet de la composition biochimique de l’environnement cellulaire sur le comportement des cellules n’est plus à démontrer depuis de nombreuses années, il a fallu attendre 1997 et les travaux pionniers de Pelham et Wang pour mettre en évidence le fait que les cellules soient capables de répondre aux signaux mécaniques, et plus particulièrement, à la rigidité de cet environnement (Pelham and Wang 1997). C’est les débuts de la mécano-biologie ; un domaine pluridisciplinaire dédié à l’étude des ef- fets des forces mécaniques et de la géométrie du substrat sur le comportement cellulaire (Iskratsch, Wolfenson et al. 2014). Il ne fait désormais plus aucun doute que les cellules sont capables de sentir leur environnement et de répondre aux signaux mécaniques qu’elles perçoivent (Discher, Janmey et al. 2005).Les signaux mécaniques sont sentis au niveau des contacts focaux par des protéines transmem- branaires, les intégrines, qui connectent physiquement l’environnement cellulaire au cytosquelette. Ces signaux mécaniques sont transformés dans le cytoplasme en signaux biochimiques activant eux-mêmes des voies de signalisation correspondantes. Ces messages physiques ou chimiques se propagent jusqu’au noyau (Wang, Tytell et al. 2009), où ils sont intégrés au niveau de la chromatine pour réguler des fonctions nu- cléaires fondamentales, comme la réplication ou la transcription (Engler, Sen et al. 2006). Une altération de la perception des signaux mécaniques à partir du microenvironnement cellulaire ou une altération d’une voie de signalisation intracellulaire de ces signaux peut être à l’origine d’un grand nombre de pathologies telles que les fibroses, les artérioscléroses ou encore le cancer (Jaalouk and Lammerding 2009).