Les hydrogels sont des matériaux polymères fabriqués principalement à partir d'eau. Ils peuvent être utilisés dans un large éventail d'applications médicales et autres. Cependant, les incarnations précédentes des matériaux souffraient de contraintes mécaniques répétées et se déformaient facilement. Un nouveau cristal qui peut se former et se déformer de manière réversible, permet aux hydrogels de récupérer rapidement du stress mécanique. Ceci ouvre la voie à l'utilisation de tels matériaux biocompatibles dans le domaine des articulations et ligaments artificiels.

Beaucoup d'entre nous souffrent occasionnellement de blessures sportives ou ressentent une sorte de douleur liée aux articulations et aux ligaments à un moment donné de notre vie. Pour les blessures graves de cette nature, il y a souvent peu de choses à faire pour réparer les dégâts. Mais un nouveau développement dans le domaine des matériaux polymères riches en eau, appelés hydrogels, pourrait se retrouver dans la salle d'opération d'ici une dizaine d'années. Et ils devraient résister aux mêmes contraintes mécaniques que nos tissus articulaires et ligamentaires naturels subissent également. On les appelle des gels auto-renforcés.

"Le problème avec les hydrogels existants est qu'ils peuvent être mécaniquement faibles et doivent donc être renforcés, " a déclaré le professeur agrégé Koichi Mayumi de l'Institut de physique des solides de l'Université de Tokyo. " Cependant, les méthodes précédentes pour les durcir ne fonctionnent qu'un nombre limité de fois, ou parfois juste une fois. Ces gels ne récupèrent pas du tout rapidement des contraintes telles que les impacts. Nous avons donc examiné d'autres matériaux qui présentent une forte récupérabilité, comme le caoutchouc naturel. En s'inspirant de celles-ci, nous avons créé un hydrogel qui présente une ténacité et une capacité de récupération semblables à celles du caoutchouc tout en maintenant la flexibilité. »

Les exemples précédents d'hydrogels durcis utilisent des liaisons dites sacrificielles qui se cassent lorsqu'elles sont déformées. La destruction des liaisons sacrificielles dissiperait l'énergie mécanique conférant au matériau sa résistance, mais les liens sacrificiels prendraient du temps, parfois quelques minutes, s'en remettre. Et parfois, ils ne s'en remettaient pas du tout.

En revanche, Mayumi et son équipe ont introduit des cristaux qui s'assemblent en formes rigides sous contrainte, mais revient très rapidement à l'état de gel lorsque la souche est relâchée. En d'autres termes, l'hydrogel global est extrêmement souple au repos mais se raffermit à l'impact, un peu comme le font les caoutchoucs naturels. Les structures cristallines sont composées de chaînes de polyéthylène glycol (PEG) liées par des anneaux d'hydroxypropyl-α-cyclodextrine (HPαCD) dans un hydrogel à base d'eau.

« Comme les hydrogels contiennent plus de 50 % d'eau, ils sont considérés comme hautement biocompatibles, indispensable pour les applications médicales, " a déclaré Mayumi. " La prochaine étape de la recherche pour nous est d'essayer différents arrangements de molécules. Si nous pouvons simplifier les structures que nous utilisons, nous pourrons alors réduire le coût des matériaux, ce qui contribuera également à accélérer leur adoption par l'industrie médicale."