Des polymères intelligents pour détecter, protéger et administrer des médicaments

Dans son laboratoire de l’ÉTS, PolymerETS, la professeure-chercheuse Nicole Demarquette conçoit des systèmes polymériques aux propriétés inédites en combinant différentes substances et en contrôlant leur organisation à l’échelle microscopique. Cette approche permet de créer des matériaux capables de remplir des fonctions très précises, comme détecter des phénomènes physiques ou libérer des molécules actives de manière contrôlée. 

Ces travaux, qui s’inscrivent dans le cadre d’une chaire de recherche du Canada tier 1 sur la rhéologie pour le développement de nouveaux mélanges et composites à base de thermoplastiques, relèvent avant tout du génie des matériaux. Toutefois, plusieurs des technologies développées par son équipe pourraient trouver des applications en santé, notamment dans les systèmes d’administration de médicaments, les dispositifs ou les capteurs biomédicaux.

Concevoir des matériaux aux propriétés sur mesure

Les polymères sont des matériaux constitués de longues chaînes moléculaires. Les matériaux plastiques de notre quotidien, comme les sacs en plastique ou les emballages rigides, en sont les exemples les plus connus, mais ils peuvent également servir de base à des matériaux beaucoup plus sophistiqués.

Nicole Demarquette s’intéresse particulièrement aux mélanges et composites à base de polymères thermoplastiques. L’objectif est de combiner différents polymères, parfois modifiés chimiquement, ou d’y intégrer des particules fonctionnelles afin d’obtenir des propriétés spécifiques.

Toutefois, la composition seule ne suffit pas. Les propriétés finales d’un matériau dépendent largement de son organisation à l’échelle microscopique, appelée microstructure.

Par exemple, de manière très simplifiée, si l’on ajoute des particules conductrices d’électricité dans un polymère, le matériau ne deviendra conducteur que si ces particules entrent en contact et forment un réseau continu. Si elles restent dispersées et isolées, le courant ne pourra pas circuler.

Cette organisation dépend de nombreux facteurs : la chimie des matériaux, les interactions entre les différentes phases et les conditions de transformation.

Pour comprendre et contrôler ces phénomènes, la professeure s’appuie sur la rhéologie, la science de l’écoulement des fluides complexes. L’étude du comportement des polymères lorsqu’ils s’écoulent permet de prédire comment les différentes phases vont s’organiser pendant la fabrication et, par conséquent, quelles propriétés le matériau possédera.

Les matériaux développés dans le laboratoire peuvent ensuite être mis en forme grâce à différentes techniques, comme l’extrusion, la fabrication additive par extrusion fondue ou encore l’électrofilage, une méthode permettant de produire des membranes constituées de fibres extrêmement fines.

Des polymères sensibles à leur environnement

Depuis quelques années, une partie importante des travaux de Nicole Demarquette porte sur des polymères dits « sensibles aux stimuli ». Ces matériaux réagissent à certaines conditions environnementales, comme la température ou le pH.

Dans ces polymères, les chaînes moléculaires peuvent se replier sur elles-mêmes ou au contraire se déployer complètement en fonction des conditions du milieu. Ce changement de configuration peut être exploité pour capturer ou relâcher des molécules actives, comme des médicaments.

Il devient ainsi possible d’imaginer des matériaux capables de délivrer un traitement uniquement lorsque certaines conditions physiologiques sont réunies.

Améliorer l’administration des médicaments

Un exemple concret concerne le traitement de la tuberculose. Dans un projet mené avec des polymères renforcés par des argiles, l’équipe a démontré qu’il était possible de contrôler l’adsorption et la libération de l’isoniazide, un antibiotique utilisé contre cette maladie.

Grâce à ce type de matériau, le médicament pourrait être protégé lors de son passage dans l’estomac et libéré plus loin dans le système digestif, par exemple dans l’intestin, où le pH est différent.

Ce principe de libération contrôlée de médicaments représente un domaine de recherche très actif, car il pourrait améliorer l’efficacité des traitements tout en réduisant leurs effets secondaires.

Dans un autre projet exploratoire, l’équipe travaille sur un polymère naturel appelé pullulane, un polysaccharide biocompatible. Les chercheurs et chercheuses tentent de le modifier chimiquement afin qu’il devienne sensible au glucose.

L’objectif serait de fabriquer un hydrogel capable de détecter la présence de sucre et de libérer de l’insuline lorsque la concentration devient trop élevée. Ce matériau pourrait être implanté sous la peau et agir comme un système autonome de régulation du glucose.

Même si cette piste de recherche en est encore à ses débuts, elle illustre le potentiel de ces matériaux capables d’interagir avec des environnements biologiques.

Des matériaux pour soigner les plaies

Le pullulane pourrait aussi servir à fabriquer des membranes destinées au traitement des plaies. En modifiant chimiquement ce polymère, il devient possible de concevoir des matériaux capables de libérer progressivement des agents thérapeutiques, comme des antibiotiques ou des anti-inflammatoires.

Ces membranes peuvent être produites par électrofilage, ce qui permet de créer des réseaux de nanofibres très poreux, ou encore par biofabrication et impression 3D. Les structures obtenues peuvent être ajustées en fonction des besoins, notamment en termes de porosité, d’élasticité ou de vitesse de libération des médicaments.

Des capteurs intégrés aux matériaux

Un autre axe de recherche du laboratoire concerne le développement de capteurs polymères.

Pour les créer, les chercheurs incorporent dans les polymères différentes particules fonctionnelles, notamment des particules conductrices d’électricité comme le graphène et les nanotubes de carbone ainsi que des structures hybrides appelées réseaux métallo-organiques (Metal–Organic Frameworks, ou MOFs). Ces structures combinent des métaux et des molécules organiques et possèdent une grande affinité chimique avec certains composés. Intégrées dans des polymères, elles permettent de concevoir des matériaux capables de détecter différentes substances ou contraintes physiques.

Un projet en cours vise, par exemple, à développer un capteur de contrainte pouvant être intégré dans un casque de hockey ou de football. Fabriqué par impression 3D, ce matériau contiendrait des particules conductrices permettant de mesurer l’intensité des impacts, ce qui pourrait contribuer à mieux détecter les risques de commotion cérébrale.

D’autres travaux explorent l’utilisation de ces matériaux pour détecter des polluants dans l’eau ou encore certains composés organiques volatils émis lors d’incendies.

Comprendre pour mieux concevoir

Malgré la diversité de ces applications, toutes reposent sur un même principe scientifique : contrôler la microstructure des matériaux afin d’en maîtriser les propriétés mécaniques, électriques, thermiques ou fonctionnelles.

Dans le laboratoire de Nicole Demarquette, cette approche repose sur trois étapes clés : la formulation des matériaux, le contrôle de leur morphologie et le développement de nouvelles fonctionnalités.

En explorant les interactions entre polymères, nanoparticules et procédés de fabrication avancés, son équipe contribue ainsi à développer une nouvelle génération de matériaux capables d’interagir avec leur environnement — et potentiellement de jouer un rôle important dans les technologies médicales de demain.

Nicole Demarquette est membre d’itechsanté, l'institut de recherche et d'innovation en technologies pour la santé de l'ÉTS. Pour en savoir plus sur l'institut, sa mission, ses thématiques, ses projets phares et plus encore, visitez itechsanté.