ReviewBiomatériaux dérivés de biomolécules

Les biomolécules sont fondamentales pour toutes les formes de vie, y compris les micro-organismes, les plantes et les animaux en raison de leur structure et de leur fonction uniques responsables de la reproductibilité, de la durabilité et de la mortalité. Les monomères, oligomères et macromolécules tels que les acides aminés, les peptides, les protéines, les nucléobases, les nucléotides, les oligonucléotides, les acides nucléiques (ADN/ARN), les monosaccharides, les oligosaccharides, les polysaccharides et les lipides sont les principaux éléments constitutifs de la vie.] On pense que les éléments constitutifs de la vie se sont progressivement transformés en leur structure moléculaire actuelle au cours des milliards d’années du processus d’évolution pour atteindre les propriétés de reconnaissance moléculaire hautement sophistiquées que l’on observe aujourd’hui. L’intrigante propriété de reconnaissance moléculaire des biomolécules est vitale pour maintenir la structure et l’activité fonctionnelle de tous les organismes vivants. L’un des attributs fascinants des biomolécules est leur capacité à subir une organisation hiérarchique pour produire des systèmes et des matériaux biologiques rigides et flexibles. Par exemple, les biomacromolécules comme le collagène, la kératine et l’élastine peuvent former des assemblages fonctionnels, la gélatine forme des gels robustes et consommables, la soie constitue des fibres très résistantes (amyloïdes fonctionnelles) et des gels, tandis que certains peptides et protéines produisent des structures amyloïdes toxiques et pathogènes. Les remarquables interactions inter et intramoléculaires et l’organisation des biomolécules fondées sur la reconnaissance moléculaire sont cruciales pour la formation de matériaux biologiques. Ce pouvoir exemplaire des biomolécules et de leurs matériaux biologiques a été la source d’inspiration des chimistes et des biologistes pour développer de nouvelles structures de biomatériaux. Les propriétés chimiques, biologiques et mécaniques intrigantes des biomolécules jouent un rôle majeur dans la fabrication de nouveaux biomatériaux, soit par traitement direct, soit en combinaison avec des matériaux synthétiques .

La synergie et l’interaction omniprésentes des biomolécules sont importantes pour maintenir la fidélité de la vie. Une anomalie résultant de tout type de maladie ou de traumatisme pourrait perturber la diaphonie entre les biomolécules au sein du système des machines vivantes. Les déformations structurelles ou les dommages causés aux tissus et aux organes peuvent provoquer d’innombrables handicaps et maladies chez l’homme. La principale limite est que le corps humain ne peut pas auto-régénérer la plupart de ses organes s’ils sont compromis dans des conditions physiologiques défavorables. Dans ce contexte, l’utilisation de matériaux dérivés de biomolécules sous la forme d’implants permanents ou de substituts régénératifs pour les tissus et organes affectés est très recherchée dans les sciences biomédicales. La transformation de biomolécules en matériaux d’importance biomédicale garantit la biocompatibilité et imite l’environnement in vivo du corps humain pour déclencher les processus de guérison. Ces matériaux dérivés soit de biomolécules soit de leurs combinaisons avec des matériaux synthétiques pour l’utilisation dans des applications biomédicales sont appelés biomatériaux dérivés de biomolécules.

Les biomatériaux dérivés de biomolécules peuvent être conçus pour prendre diverses formes qui, seules ou en tant que partie d’un système complexe, sont utilisées pour l’interaction avec les composants des systèmes vivants et anticipées pour générer des effets diagnostiques ou thérapeutiques en médecine humaine ou vétérinaire. Les biomatériaux requis pour diverses applications biomédicales peuvent être dérivés de matériaux naturels ou synthétiques, tandis que les hybrides de ces deux types de matériaux sont très courants en raison de leur capacité unique à améliorer leurs propriétés chimiques, biologiques et mécaniques. L’organisation hiérarchique des matériaux biologiques s’étend sur de grandes échelles de longueur, de l’échelle moléculaire à l’échelle macro en passant par les échelles nanométriques et micro. L’architecture hiérarchique inhérente aux matériaux biologiques influence leurs fonctions dans divers types de tissus et organes du corps humain. En raison de leur nature biologique intrinsèque, les systèmes matériels dérivés des biomolécules offrent d’innombrables avantages tels que la biocompatibilité, la reconnaissance biomoléculaire, la réactivité aux stimuli biologiques et la souplesse d’adaptation à un environnement biochimique complexe et hétérogène. Bien qu’elles présentent de bonnes propriétés matérielles telles que la résistance mécanique, la rigidité et la durabilité, les applications biomatérielles des matériaux synthétiques souffrent d’une mauvaise biocompatibilité, responsable du rejet des matériaux par le corps humain. Le rejet des matériaux est une préoccupation majeure dans le développement et l’utilisation des biomatériaux, qui peut être surmontée en incorporant de manière appropriée des biomolécules aux biomatériaux synthétiques pour générer des matériaux hybrides avec des caractéristiques structurelles, fonctionnelles et de biocompatibilité supérieures. En fait, les outils et les implants dérivés de matériaux biologiques étaient omniprésents dans la pratique clinique dans les temps anciens. Par exemple, les coraux et les bois étaient utilisés comme implants dentaires, tandis que les fibres de soie étaient utilisées comme sutures. Toutefois, l’utilisation ancienne des matériaux biologiques ne reposait pas sur une conception sophistiquée et une ingénierie de précision, comme c’est le cas dans la conception et les applications des biomatériaux modernes. La cellulose, la kératine, le collagène et la soie sont des matières premières biologiques facilement accessibles avec des propriétés matérielles fascinantes, qui constituent une partie importante de la recherche sur les biomatériaux en raison des propriétés chimiques, biologiques et mécaniques favorables requises pour le traitement et la fabrication des biomatériaux (Fig. 1) .

Au cours des dernières décennies, les progrès de la recherche biomédicale ont permis de concevoir et de fabriquer des biomatériaux dérivés de biomolécules. Le traitement et la modification en solution des biomolécules ou leur intégration avec d’autres matériaux naturels et synthétiques conduisent à l’assimilation de diverses propriétés chimiques, physiques, mécaniques et biomimétiques pour générer des systèmes et dispositifs biomatériaux cliniquement réactifs . Le vingtième siècle a été le témoin d’innovations remarquables dans le développement de matériaux fonctionnels artificiels ayant des applications potentielles en biomédecine et dans les technologies médicales. L’attention constante portée à l’exploitation des matériaux artificiels en médecine clinique souligne la nécessité d’incorporer des biomolécules pour améliorer leurs caractéristiques biomimétiques (Fig. 2). Dans ce contexte, l’optimisation des caractéristiques structurelles et fonctionnelles des biomatériaux hybrides dérivés de l’interfaçage de biomolécules et de matériaux synthétiques devient essentielle pour améliorer leur efficacité thérapeutique. En fait, l’intégration de biomolécules dans des matériaux synthétiques conduit à l’assimilation de caractéristiques fonctionnelles doubles, à savoir des caractéristiques biologiques et des propriétés matérielles, dans les systèmes biomatériaux dérivés. Les développements récents dans la conception des biomatériaux ont permis l’inclusion d’une myriade de fonctionnalités chimiques et biologiques dans les systèmes synthétiques et hybrides afin d’améliorer leur pertinence fonctionnelle et leur biocompatibilité avec l’environnement cellulaire et tissulaire. Les progrès de la science et de la technologie biomédicales ont conduit à l’accumulation de vastes connaissances sur les environnements in vitro et in vivo, ce qui a permis aux chercheurs d’adopter une conception fidèle plutôt que des approches empiriques pour développer de nouveaux biomatériaux grâce à des stratégies innovantes qui imitent l’environnement extra- et intercellulaire des tissus et des organes (Fig. 3). La conception et la fabrication de biomatériaux impliquent généralement la sélection d’un matériau naturel ou synthétique approprié et le traitement du matériau choisi dans le format requis avec une propriété mécanique appropriée en utilisant des transformations chimiques et mécaniques biocompatibles. La fabrication des biomatériaux doit généralement répondre aux critères suivants i) l’architecture complète de la conception est hautement biocompatible par nature, ce qui favorise l’adhésion et la croissance des cellules requises ainsi qu’une bonne viabilité cellulaire, ii) elle accélère la diffusion des petites molécules, des métabolites ou des nutriments dans la cellule ou le tissu, iii) empêcher l’invasion ou la migration vers l’extérieur d’espèces réactives, iv) ne pas induire de réponse inflammatoire, de tératogénicité ou tout autre effet indésirable sur la santé, v) posséder une stabilité chimique et biologique plasmatique prolongée, vi) présenter une cinétique de dégradation excellente et requise, et vii) faciliter la caractérisation in vivo .

Le succès des biomatériaux dérivés de biomolécules dépend principalement du maintien de l’intégrité structurelle et fonctionnelle des biomolécules au sein du système ou du dispositif fabriqué, suivi de leur utilisation biomédicale efficace. L’ensemble du processus d’interaction du biomatériau dérivé de biomolécules avec la cellule ou le tissu et la réponse qui en résulte constituent le système de triade de l’ingénierie tissulaire, dans lequel les biomolécules agissent en synergie en tant que blocs de construction structurels de la cellule et conjugués fonctionnels des matériaux pour imiter la relation structure-fonction des systèmes biologiques naturels. Dans ce contexte, la connaissance préalable de la relation structure-fonction des biomolécules, par exemple, les informations sur les structures primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires des protéines, est cruciale pour les utiliser efficacement dans la fabrication d’un biomatériau spécifique. Les biomolécules présentent des caractéristiques chimiques et physiques différentes et répondent de manière distincte aux stimuli de l’environnement. Il est donc crucial de comprendre la structure et la chimie des biomolécules en solution, à l’état solide et à l’interface. Dans les systèmes biologiques, les biomolécules présentent une capacité de reconnaissance et d’interaction moléculaire sans précédent pour contrôler le comportement et l’activité cellulaires. L’intégration des biomolécules dans le cadre de la conception de biomatériaux comprend principalement l’exploitation de ces caractéristiques pour interroger les cellules et l’environnement in vivo en cas de blessure ou de maladie. L’incorporation de biomolécules intègre des caractéristiques de biocompatibilité et optimise les interactions in vivo en entrant en contact avec le tissu ou l’organe de manière réactive. Cependant, les complexités structurelles inhérentes et l’origine biologique des biomolécules peuvent provoquer des réactions biologiques naturelles indésirables de l’organisme, ce qui peut entraver leur application clinique. Il convient donc de répondre aux préoccupations liées à l’instabilité chimique et biologique, à la réponse immunitaire et au rejet naturel, au rapport coût-efficacité, aux complications de la conception et à d’autres questions réglementaires. En outre, l’intégration synergique des propriétés des matériaux biologiques et synthétiques par le biais de conceptions simples, rentables, minimalistes et guidées par une étude de la relation structure-fonction est nécessaire pour produire de nouveaux biomatériaux avec des applications potentielles.

Avec l’avènement des techniques de caractérisation modernes, le contrôle de la propriété structure-fonction des biomatériaux s’est amélioré ces derniers temps . En outre, la nécessité d’intégrer des biomolécules avec des systèmes de matériaux synthétiques pour accomplir des compositions chimiques supérieures, des organisations hiérarchiques plus ordonnées et une caractéristique biomimétique dans un biomatériau est maintenant plus évidente que jamais. La conception et la fabrication de biomatériaux dérivés de biomolécules sont guidées par des interactions covalentes et non covalentes, selon le type de matériau et l’application. Dans la nature, les assemblages tridimensionnels (3D) de biomolécules dépendent principalement de la séquence de monomères médiée par des liaisons covalentes. Par la suite, les structures d’ordre supérieur avec des niveaux variables de complexité et de fonctionnalités réactives des systèmes biomoléculaires sont assemblées dans une construction définie par le biais d’un processus d’assemblage moléculaire dynamique basé sur des interactions non covalentes. À cet égard, l’ingénierie et la fabrication de biomolécules en biomatériaux d’intérêt doivent prendre en compte le bon mélange de rigidité de conformation résultant des modifications covalentes, ainsi que la flexibilité et la pertinence fonctionnelle obtenues par les processus d’assemblage multicomposants. Pour surmonter les contraintes translationnelles, des outils avancés et à haut débit, tels que l’avènement des matériaux à mémoire de forme ou sensibles aux stimuli, les microréseaux, la micro- et nanofabrication et les techniques lithographiques, ont été développés pour générer des biomatériaux intelligents topographiquement et fonctionnellement bien définis. La bio-ingénierie est un autre domaine de recherche sophistiqué et avancé qui vise à modifier et à adopter les mécanismes biomoléculaires naturels pour la synthèse de biopolymères naturels et modifiés. Il existe plusieurs micro-organismes naturels et modifiés qui agissent comme des bio-machines ou des usines vivantes pour synthétiser plusieurs polyesters et polyamides biopolymères. Par exemple, la famille des bactéries gram-positives Bacillus species et les bactéries gram-négatives Fusobacterium nucleatum sont utilisées pour synthétiser l’acide poly-glutamique en présence de l’enzyme acide poly-glutamique synthétase. De même, les polyesters polyhydroxy-alcools sont synthétisés par plusieurs bactéries et archées. Dans ce contexte, le génie génétique a le potentiel de produire une variété de biopolymères avec des propriétés sur mesure.

A côté des technologies à haut débit et du génie génétique, les techniques de séquençage et d’imagerie de nouvelle génération ont élargi le champ d’application en tant qu’outils de caractérisation pour examiner le comportement cellulaire lors des interactions avec les biomatériaux . Dans ce contexte, les matériaux à mémoire de forme ou les matériaux sensibles aux stimuli sont particulièrement intéressants car ils peuvent adopter différentes conformations géométriques en réponse à des stimuli externes tels que le pH, la température ou la lumière. Ces matériaux peuvent adopter initialement une forme temporaire et se transformer ensuite en une forme ou une géométrie différente en réponse à des changements dans les stimuli externes. La caractéristique de modification de forme de ces matériaux est bénéfique dans les chirurgies mini-invasives ou les laparoscopies où l’implantation du biomatériau est associée à des changements stimulés par la température qui entraînent la transition du matériau vers des structures plus biomimétiques après l’implantation. La microfabrication et la nanofabrication de biomolécules pour la création de micropuces, de micro-aiguilles ou de biocapteurs sont utiles pour des applications in vitro et in vivo impliquant des tests biologiques à haut débit, la biodétection, la culture et la différenciation cellulaires, l’administration et la thérapie. Ces technologies ont enrichi le domaine des biomatériaux en combinant des approches multidisciplinaires englobant les domaines de l’ingénierie, de la science des matériaux, de la chimie, de la biotechnologie et de la médecine. La conception de la prochaine génération de biomatériaux dépend spécifiquement de l’ingénierie contrôlée et précise des matériaux pour une plus grande précision en termes de structure, de propriété et de fonction, qui repose fortement sur les matériaux dérivés des biomolécules. Dans le processus de fabrication de matériaux dérivés de biomolécules, il est extrêmement important de maintenir la relation structure-fonction des biomolécules lors de leur transformation en biomatériaux.

Cet article de synthèse est organisé en différentes sections basées sur le type de biomolécule employé pour fabriquer des biomatériaux qui comprennent une section spéciale sur leurs applications. Dans l’ensemble, nous présentons au lecteur des exemples sélectionnés et représentatifs de diverses classes de biomatériaux dérivés de biomolécules ayant des applications biomédicales potentielles allant du diagnostic, de l’efficacité antimicrobienne, des thérapies anticancéreuses, de la médecine régénérative à l’administration de médicaments et à l’ingénierie tissulaire. La discussion est orientée vers des conceptions et des applications réalistes des biomatériaux dans lesquels les biomolécules intégrées jouent des rôles cruciaux au-delà de leurs fonctions spécifiques. La couverture et la discussion sont axées sur différentes stratégies de conception qui utilisent diverses biomacromolécules telles que les protéines, les acides nucléiques, les glucides et les lipides pour la fabrication de biomatériaux intelligents. En outre, nous décrivons des approches minimalistes ou réductionnistes dans lesquelles des oligomères et des blocs de construction de base (monomères) de biomacromolécules tels que les peptides, les peptidomimétiques, les oligonucléotides, les oligosaccharides, les acides gras, les acides aminés, les nucléotides, les sucres et leurs combinaisons sont utilisés pour produire des biomatériaux imitant les systèmes naturels. La discussion est systématiquement organisée de telle sorte que les biomatériaux dérivés des biomacromolécules sont décrits dans des sections consacrées aux biomatériaux dérivés des protéines, des acides nucléiques, des glucides et des lipides. Dans chaque section, nous discutons des approches réductionnistes pour concevoir et fabriquer des biomatériaux en utilisant des oligomères ou des blocs de construction de base (monomères) des biomacromolécules. L’objectif principal de cet article est de présenter des rapports significatifs issus de la littérature afin d’offrir une perception enchanteresse des biomatériaux dérivés des biomolécules. En outre, il existe une poignée d’exemples de croisement dans lesquels deux ou plusieurs types de biomolécules, ainsi que des molécules et des matériaux synthétiques, sont utilisés pour concevoir des biomatériaux qui sont couverts par la section des biomatériaux hybrides. La discussion approfondie et critique sur la conception, la fabrication et les applications des biomatériaux dérivés de biomolécules est présentée en considérant des exemples appropriés et importants de chaque type de biomolécule. Enfin, nous présentons l’état actuel et les perspectives futures de ce domaine émergent dans la section « Conclusion et perspectives ». En plus de présenter les données de la littérature primaire choisie, nous fournissons à chaque section les illustrations nécessaires et les perspectives futures en considérant l’abondance naturelle, l’utilité, la source pratique et les applications des biomatériaux dérivés des biomolécules.