Un rendu 3D d'un nouveau composite de fixation osseuse développé par une équipe de recherche dirigée par le scientifique des matériaux de l'UConn, Mei Wei. Crédit :Bryant Heimbach/UConn
Les chercheurs de l'UConn ont créé un composite biodégradable fait de fibres de soie qui peut être utilisé pour réparer les os porteurs cassés sans les complications parfois présentées par d'autres matériaux.
La réparation des principaux os porteurs tels que ceux de la jambe peut être un processus long et inconfortable.
Pour faciliter la réparation, les médecins peuvent installer une plaque métallique pour soutenir l'os pendant qu'il fusionne et guérit. Pourtant, cela peut être problématique. Certains métaux libèrent des ions dans les tissus environnants, provoquant une inflammation et une irritation. Les métaux sont également très rigides. Si une plaque métallique supporte trop de charge dans la jambe, le nouvel os peut repousser plus faiblement et être vulnérable aux fractures.
Chercher une solution au problème, professeur à l'UConn Mei Wei, un scientifique des matériaux et ingénieur biomédical, s'est tourné vers les araignées et les mites pour s'inspirer. En particulier, Wei s'est concentré sur la fibroïne de soie, une protéine présente dans les fibres de soie filées par les araignées et les mites, connue pour sa ténacité et sa résistance à la traction.
La communauté médicale est au courant de la fibroïne de soie depuis un certain temps. C'est un composant courant dans les sutures médicales et l'ingénierie tissulaire en raison de sa résistance et de sa biodégradabilité. Pourtant, personne n'avait jamais essayé d'en faire un composite polymère dense, et c'est ce dont Wei savait qu'elle avait besoin si elle voulait créer un meilleur appareil pour guérir les os porteurs brisés.
Un aperçu des techniques de traitement utilisées pour fabriquer des composites biodégradables haute performance pour aider à la cicatrisation osseuse. Crédit :Mei Wei/UConn Image
En collaboration avec le professeur agrégé de l'UConn Dianyun Zhang, un ingénieur en mécanique, Le laboratoire de Wei a commencé à tester la fibroïne de soie sous diverses formes composites, à la recherche de la bonne combinaison et proportion de différents matériaux pour obtenir une résistance et une flexibilité optimales. Le nouveau composite devait certainement être solide et rigide, mais pas au point d'inhiber la croissance osseuse dense. À la fois, le composite devait être flexible, permettant aux patients de conserver leur amplitude de mouvement et leur mobilité naturelles pendant la guérison de l'os.
Après des dizaines d'essais, Wei et Zhang ont trouvé les matériaux qu'ils cherchaient. Le nouveau composite se compose de longues fibres de soie et de fibres d'acide polylactique - un thermoplastique biodégradable dérivé de la fécule de maïs et de la canne à sucre - qui sont trempées dans une solution dans laquelle chacune est recouverte de fines particules biocéramiques d'hydroxyapatite (le minéral de phosphate de calcium présent dans les dents et ossements). Les fibres enduites sont ensuite emballées en couches sur un petit cadre en acier et pressées en une barre composite dense dans un moule de compression à chaud.
Dans une étude publiée récemment dans le Journal du comportement mécanique des matériaux biomédicaux , Wei rapporte que le composite biodégradable haute performance a montré des caractéristiques de résistance et de flexibilité parmi les plus élevées jamais enregistrées pour des matériaux biorésorbables similaires dans la littérature.
Et ils pourraient être encore meilleurs.
Professeur Mei Wei, droit, avec le professeur agrégé Dianyun Zhang (au fond à droite), doctorat candidat en science des matériaux Bryant Heimbach, et Beril Tonyali, premier cycle, dans leur laboratoire du Materials Science Institute. Crédit :Sean Flynn/UConn Photo
"Nos résultats sont vraiment élevés en termes de force et de flexibilité, mais nous pensons que si nous pouvons faire en sorte que chaque composant fasse ce que nous voulons qu'ils fassent, on peut aller encore plus haut, " dit Wei, qui est également doyen associé de la School of Engineering pour la recherche et l'enseignement supérieur.
Le nouveau composite est également résilient. Les gros os des jambes chez les adultes et les personnes âgées peuvent prendre plusieurs mois à guérir. Le composite développé dans le laboratoire de Wei fait son travail puis commence à se dégrader au bout d'un an. Aucune intervention chirurgicale n'est nécessaire pour l'ablation.
Avec Wei et Zhang dans la recherche, Bryant Heimbach, un doctorat candidat et scientifique des matériaux dans le laboratoire de Wei; et Beril Tonyali, un premier cycle de l'UConn poursuivant un diplôme en science et ingénierie des matériaux.
L'équipe a déjà commencé à tester de nouveaux dérivés du composite, including those that incorporate a single crystalline form of the hydroxyapatite for greater strength and a variation of the coating mixture to maximize its mechanical properties for bones bearing more weight.
