Injectable and self-healing polysaccharide hydrogels via boronate ester bonds : relationships between the binding mode of boronic acids to saccharide moieties and the macroscopic mechanical properties
Hydrogels injectables et auto-réparants à base de polysaccharides réticulés par des liaisons ester boronate : relations entre le mode de complexation acide boronique-saccharide et les propriétés mécaniques
Résumé
Injectable and self-healing hydrogels have recently drawn great attention in the fields of tissue engineering and regenerative medicine. Such gels can be pre-formed into syringes, be extruded under shear stress and show rapid recovery when the applied stress is removed due to the dynamic nature of their crosslinks. Given the exciting potential benefit of using boronic acid-containing polymers to construct dynamic covalent hydrogels, we explored this attractive strategy to design injectable boronate-crosslinked hydrogels based on hyaluronic acid (HA) for aesthetic and other biomedical applications. To design hydrogels with optimized properties, we investigated the effect of the nature of the boronic acid moiety as well as the sugar molecule grafted onto the HA backbone on the gel properties. Among arylboronic acid derivatives, benzoboroxole (BOR) was selected in addition to phenylboronic acid (PBA) as the binding site for sugar moieties grafted on HA. This choice was based on the efficient binding capability of BOR at neutral pH compared to PBA, and on its ability to complex glycopyranosides. With this study, we demonstrated that the dynamic rheological properties of the HA networks based on BOR- or PBA-saccharide complexation are closely linked to the molecular exchange dynamics and thermodynamics of the small molecule crosslinkers. Besides, we also established for the first time the feasibility of self-crosslinking HA hydrogels with extremely slow dynamics at physiological pH through multivalent interactions between BOR derivatives grafted on HA and diols from the polysaccharide chains. Finally, in addition to BOR, we demonstrated the unprecedented capacity of its six-membered ring homologue, benzoxaborin, and a new original benzoxaborin-like derivative as new carbohydrate binding sites for the formation of reversible HA networks. Taking into account the injectable, self-healing and stimuli-responsive properties showed by these new HA hydrogels, these biomaterials appear as promising injectable scaffolds for many innovative applications in the biomedical field, including in tissue engineering and cell therapy.
Les hydrogels injectables et auto-réparants suscitent un intérêt particulier dans les domaines de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénératrice. En raison de la nature dynamique de leurs réticulations, ces gels peuvent être pré-formés dans des seringues, extrudés sous cisaillement et s’auto-réparer spontanément après arrêt de la déformation mécanique. Au vu du potentiel que peuvent offrir les polymères fonctionnalisés par des acides boroniques pour la fabrication de gels covalents réversibles, nous avons développé des hydrogels injectables d’acide hyaluronique (HA) réticulés par des liaisons esters boronates pour des applications esthétiques et biomédicales. Pour élaborer de tels gels avec des propriétés optimisées, nous avons exploré l’effet de la nature du dérivé d’acide boronique ainsi que du motif saccharidique greffés sur le HA sur les propriétés rhéologiques dynamiques des gels. Parmi les différents dérivés d'acide boronique, le benzoboroxole (BOR) a été choisi en plus de l'acide phénylboronique (PBA) pour complexer différents motifs saccharidiques greffés sur le HA. Comparé au PBA, le dérivé BOR est, en effet, capable de se complexer de manière plus efficace à pH neutre et avec une plus grande variété de composés saccharidiques, en particulier les glycopyranosides. Cette étude a démontré que les propriétés rhéologiques dynamiques des assemblages de HA formés par complexation des unités de BOR ou PBA avec les différents sucres sont étroitement liées à la dynamique des échanges moléculaires et à la thermodynamique des pontages. En outre, nous avons également établi pour la première fois la possibilité d’obtenir des hydrogels de HA auto-réticulants à pH physiologique via des interactions multivalentes entre les unités de BOR greffées sur le HA et des groupements diols se répétant sur la chaîne polysaccharidique. Outre le BOR, la capacité de son homologue cyclique à six chaînons, la benzoxaborine, et d’un nouveau dérivé original similaire à ce composé a été explorée en tant que nouveaux sites de complexation de saccharides pour la formation de réseaux de HA réversibles. Compte-tenu des propriétés injectables, d'auto-réparation et de réponse à différents stimuli démontrées par ces nouveaux hydrogels de HA, ces biomatériaux apparaissent comme des candidats prometteurs pour de nombreuses applications innovantes dans le domaine biomédical, notamment pour l'ingénierie tissulaire et la thérapie cellulaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)