Les muscles squelettiques humains ont une combinaison unique de propriétés que les chercheurs en matériaux recherchent pour leurs propres créations. Ils sont forts, mou, tendre, plein d'eau, et résistant à la fatigue. Une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT a trouvé un moyen de donner aux hydrogels synthétiques cet ensemble complet de caractéristiques :leur faire subir un entraînement vigoureux.

En particulier, les scientifiques ont entraîné mécaniquement les hydrogels en les étirant dans un bain-marie. Et tout comme pour les muscles squelettiques, les représentants au "gym" ont payé. La formation a aligné les nanofibres à l'intérieur des hydrogels pour produire une forte, mou, tendre, et un matériau hydraté qui résiste à la panne ou à la fatigue au cours de milliers de mouvements répétitifs.

Les hydrogels d'alcool polyvinylique (PVA) entraînés dans l'expérience sont des biomatériaux bien connus que les chercheurs utilisent pour les implants médicaux, revêtements médicamenteux, et d'autres applications, dit Xuanhe Zhao, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Mais un avec ces quatre propriétés importantes n'a pas été conçu ou fabriqué jusqu'à présent."

Dans leur papier, publié cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , Zhao et ses collègues décrivent comment les hydrogels peuvent également être imprimés en 3D dans une variété de formes qui peuvent être entraînées pour développer la suite de propriétés musculaires.

À l'avenir, les matériaux peuvent être utilisés dans des implants tels que « valvules cardiaques, remplacements de cartilage, et les disques vertébraux, ainsi que dans les applications d'ingénierie telles que les robots mous, " dit Zhao.

Parmi les autres auteurs du MIT, citons l'étudiant diplômé Shaoting Lin, post-doctorant Ji Liu, et l'étudiant diplômé Xunyue Liu dans le laboratoire de Zhao.

Entraînement pour la force et plus

D'excellents tissus naturels porteurs tels que les muscles et les valves cardiaques sont une bio-inspiration pour les chercheurs en matériaux, mais il a été très difficile de concevoir des matériaux qui capturent toutes leurs propriétés simultanément, dit Zhao.

Par exemple, on peut concevoir un hydrogel avec des fibres très alignées pour lui donner de la résistance, mais il n'est peut-être pas aussi flexible qu'un muscle, ou il peut ne pas avoir la teneur en eau qui le rend compatible pour une utilisation chez l'homme. "La plupart des tissus du corps humain contiennent environ 70 pour cent d'eau, donc si on veut implanter un biomatériau dans le corps, une teneur en eau plus élevée est plus souhaitable pour de nombreuses applications dans le corps, " explique Zhao.

La découverte que l'entraînement mécanique pouvait produire un hydrogel semblable à un muscle était en quelque sorte un accident, dit Lin, l'auteur principal de l'étude PNAS. L'équipe de recherche avait effectué des tests de chargement mécanique cyclique sur les hydrogels, essayer de trouver le point de fatigue où les hydrogels commenceraient à se décomposer. Au lieu de cela, ils ont été surpris de constater que l'entraînement cyclique renforçait en fait les hydrogels.

"Le phénomène de renforcement dans les hydrogels après chargement cyclique est contre-intuitif à la compréhension actuelle de la rupture de fatigue dans les hydrogels, mais partage la similitude avec le mécanisme de renforcement musculaire après l'entraînement, " dit Lin.

Avant la formation, les nanofibres qui composent l'hydrogel sont orientées aléatoirement. « Au cours du processus de formation, ce que nous avons réalisé, c'est que nous alignions les nanofibres, " dit Lin, ajoutant que l'alignement est similaire à ce qui arrive à un muscle humain lors d'exercices répétés. Cet entraînement a rendu les hydrogels plus forts et résistants à la fatigue. La combinaison des quatre propriétés clés est apparue après environ 1, 000 cycles d'étirement, mais certains des hydrogels ont été étirés sur 30, 000 cycles sans panne. La résistance à la traction de l'hydrogel formé, dans le sens des fibres alignées, augmenté d'environ 4,3 fois par rapport à l'hydrogel non étiré.

À la fois, l'hydrogel a démontré une souplesse douce, et maintenu une teneur en eau élevée de 84 pour cent, les chercheurs ont trouvé.

Le facteur antifatigue

Les scientifiques se sont tournés vers la microscopie confocale pour examiner de plus près les hydrogels formés, pour voir s'ils pouvaient découvrir les raisons de leur impressionnante propriété anti-fatigue. "Nous les soumettons à des milliers de cycles de charge, alors pourquoi n'échoue-t-il pas ?" dit Lin. "Ce que nous avons fait, c'est faire une coupe perpendiculaire à ces nanofibres et essayé de propager une fissure ou des dommages dans ce matériau."

"Nous avons teint les fibres au microscope pour voir comment elles se déformaient à la suite de la coupe, [et a découvert que] un phénomène appelé fissuration était responsable de la résistance à la fatigue, " dit Ji.

"Dans un hydrogel amorphe, où les chaînes polymères sont alignées de manière aléatoire, il ne faut pas trop d'énergie pour que les dommages se propagent à travers le gel, " Lin ajoute. " Mais dans les fibres alignées de l'hydrogel, une fissure perpendiculaire aux fibres est « épinglée » en place et empêchée de s'allonger car il faut beaucoup plus d'énergie pour se fracturer à travers les fibres alignées une par une.

En réalité, les hydrogels entraînés franchissent un fameux seuil de fatigue, prédit par la théorie de Lake-Thomas, qui propose l'énergie nécessaire pour fracturer une seule couche de chaînes polymères amorphes telles que celles qui composent les hydrogels de PVA. Les hydrogels entraînés sont 10 à 100 fois plus résistants à la fatigue que prévu par la théorie, Zhao et ses collègues ont conclu.