Nouveaux hydrogels à liaison imine double préparés à partir d'O-carboxyméthyl chitosane et de Jeffamine par chimie covalente dynamique pour applications biomédicales

Novel dual imine bonding hydrogels prepared from O-carboxymethyl chitosan and Jeffamine by dynamic covalent chemistry for biomedical applications

• Auteur / Autrice : Rui Yu
• Direction : Su-Ming Li, Mihai Barboiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Danièle Noël
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Su-Ming Li, Mihai Barboiu, Danièle Noël, Thierry Delair, Christophe Schatz, Anne Françoise Mingotaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Delair, Christophe Schatz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomolécules actives

Hydrocolloïdes

Antibactériens

Mots clés libres

Carboxyméthyl chitosane

Chimie covalente dynamique

Hydrogel

Ingénierie du cartilage

Antibactérien

Délivrance de principes actifs

Carboxymethyl chitosan

Dynamic covalent chemistry

Hydrogel

Cartilage engineering

Antibacterial

Drug delivery

Résumé

Une série d'hydrogels dynamiques ont été synthétisés à partir de O-carboxyméthyl chitosane (CMCS) et de Jeffamine avec le benzène-1,3,5-tricarbaldéhyde (BTA) comme réticulant. Le BTA réagit d'abord avec la Jeffamine pour donner un dynamère (Dy) hydrosoluble, suivi de mélange avec le CMCS dans l'eau pour donner un hydrogel dynamique, tous deux basés sur une réaction de base de Schiff. Les hydrogels obtenus ont été caractérisés par la RMN, la FT-IR, la MEB et la rhéologie. Les effets du rapport molaire CMCS/Dy, de la masse molaire de la Jeffamine et du CMCS sur les propriétés physico-chimiques des hydrogels ont été étudiés. Les hydrogels présentent d’excellentes propriétés rhéologique et d'auto-guérison, et un comportement de gonflement dépendant du pH. Les cellules souches mésenchymateuses humaines chargées dans l’hydrogel montrent une excellente viabilité cellulaire, démontrant le grand potentiel de ces hydrogels dans l'ingénierie du cartilage. Les membranes préparées à partir d'hydrogels présentent une très bonne activité antibactérienne contre E. coli (bactérie à Gram négatif). Un immunostimulant hydrophile, la thymopentine (TP5) a été chargé dans l’hydrogel pendant la gélification. Les résultats montrent que la vitesse de libération dépend de divers facteurs tels que le contenu de la TP5, les conditions d’encapsulation et de libération. La théorie fonctionnelle de la densité a permis de mieux comprendre la combinaison chimique entre les composants de l’hydrogel et la TP5. Cette étude propose une nouvelle stratégie pour préparer des hydrogels dynamiques bioactifs pour diverses applications biomédicales.

A series of dynamic hydrogels were synthesized from O-carboxymethyl chitosan (CMCS) and Jeffamine using benzene-1,3,5-tricarbaldehyde (BTA) as crosslinker. BTA first reacted with Jeffamine to yield a water soluble dynamer (Dy), followed by mixing with CMCS in water to yield a dynamic hydrogel, both based on Schiff-base reaction. The as-prepared hydrogels were characterized by NMR, FT-IR, SEM and rheology. The effects of CMCS/Dy molar ratio, Jeffamine molar mass, and CMCS molar mass on the physico-chemical properties of hydrogels were investigated. The hydrogels exhibit outstanding rheological and self-healing properties, and pH dependent swelling behavior. Human mesenchymal stem cells loaded inside hydrogels showed excellent cell viability, demonstrating the great potential of these hydrogels in cartilage engineering. Membranes prepared from hydrogels exhibited high antibacterial activity against E. coli (Gram-negative bacterium). A hydrophilic immunostimulant, thymopentin (TP5) was loaded in hydrogels during gelation. Drug release data showed that the release rate depends on various factors such as drug content, drug loading and release conditions. Density functional theory allowed to better understand the chemical combination between the hydrogel’s components and the drug. This study offers a new strategy to prepare bioactive dynamic hydrogels for various biomedical applications.