Verre réactif

Une nouvelle classe de verre bioactif peut agir comme un système intelligent : il détecte non seulement son environnement, mais y réagit chimiquement et physiquement.

À la Southern Illinois University, Bakul C. Dave (prononcé Da-vey) a formé un matériau vitreux transparent à partir d'une solution de gel de silice organiquement modifié. Mélangée avec de l'eau à température ambiante, la solution sol-gel durcit en cinq minutes environ en un gel transparent solide mais élastique.

Le verre sol-gel est alvéolé avec des pores microscopiques qui peuvent absorber des biomolécules telles que des protéines ou des enzymes et les libérer en réponse à des stimuli environnementaux. Cette propriété pourrait rapprocher un véhicule intelligent de délivrance de médicaments capable de réguler les dosages pour maintenir des niveaux thérapeutiques appropriés.

Verre gonflé

Le verre conventionnel, créé par fusion de silice à haute température, contient très peu d'eau. Le verre sol-gel contient 20 % d'eau en poids. La combinaison de la porosité et de la teneur élevée en eau fait du verre sol-gel un capteur et un réacteur flexible.

Dans les expériences de laboratoire, le verre sol-gel gonfle, rétrécit ou se plie dans des conditions de changement de température ou d'acidité, mais revient à sa forme d'origine lorsque l'environnement se modère. Il réagit également aux changements de sel ou de champ électrique.

De plus, le verre peut réagir à une variété de stimuli chimiques, notamment des protéines et d'autres biomolécules. La sensibilité du verre, y compris le choix de la molécule cible, est contrôlée par des modifications de la solution de gel de silice.

Au fur et à mesure que le verre sol-gel change de forme, il peut absorber ou expulser des biomolécules à travers son système interconnecté de micropores, qui s'agrandissent ou se rétrécissent également. Le verre lui-même est bio-inerte, ou biocompatible, ce qui signifie qu'il préserve l'intégrité des biomolécules intégrées ou absorbées dans les pores sol-gel. Cette biocompatibilité signifie également que son utilisation sous forme de pilule ou d'implant ne doit pas déclencher d'infection ou de rejet par l'organisme.

Pompe ou éponge

L'équipe de recherche de Dave étudie le potentiel du sol-gel en tant que véhicule d'administration de médicaments réglementé par l'environnement. Contrairement aux gélules à libération prolongée, dont l'action est continue, une pompe à insuline sol-gel, par exemple, mimerait la réponse naturelle du pancréas, en modulant la quantité d'insuline qu'il libère proportionnellement à la concentration fluctuante de glucose dans le sang.

L'équipe de Dave a commencé à tester cette approche avec des implants sol-gel chez la souris. Aux niveaux de dosage attendus, l'insuline dans l'implant d'un millimètre pourrait durer plusieurs années, dit-il.

Dans un laboratoire, le verre bioactif pourrait trouver d'autres utilisations comme éponge ou séparateur de protéines, absorbant une molécule cible spécifique d'une soupe biologique. Plus tard, le processus pourrait être inversé pour essorer la protéine séparée.

D'autres applications potentielles incluent la microfluidique et les couches minces. Il pourrait être possible, dit Dave, de façonner le matériau poreux en minuscules canaux, valves et réservoirs qui s'ouvrent et se ferment en changeant de forme plutôt qu'en action mécanique.

Ou, en tant que film ou revêtement mince, le verre sol-gel pourrait fonctionner comme un capteur, communiquant les conditions environnementales à un matériau ou substrat sous-jacent, permettant à la pression dans un tuyau ou à la vitesse d'un moteur d'être ajustée selon les besoins.

Pour Dave, l'objectif principal de ses recherches sur le sol-gel est l'étendue des applications qu'il pourrait ouvrir. Nous pouvons convertir efficacement n'importe quel signal chimique ou physique en une réponse soigneusement modulée, dit-il.

Chérie, j'ai rétréci l'échantillon

Comme tant de développements scientifiques, le verre sensible de Dave a été découvert presque par accident. Les sol-gels existent depuis de nombreuses années et ont même été mélangés à des matériaux organiques et biomoléculaires. En 1997, le groupe de Dave travaillait sur des sol-gels organiques pour des applications de photochimie lorsqu'un étudiant diplômé a accidentellement laissé une lumière vive sur un échantillon. À la surprise générale, l'échantillon a rétréci sous la lumière.

Aujourd'hui, Dave affine la capacité de la solution de silice à détecter avec précision et à réagir à des stimuli environnementaux spécifiques après sa solidification en verre sol-gel. Il commence également à étudier des applications à la frontière nanométrique, où des particules de verre sol-gel pourraient être utilisées pour l'administration ou l'absorption de molécules spécifiques de médicaments et d'autres substances thérapeutiques.

S'il réussit, nous pourrions éventuellement voir des nanoparticules sol-gel être utilisées pour nettoyer les organes ou les tissus en éliminant ou en neutralisant des protéines ou des bactéries nocives.

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