Ce rendu de surface en 3D montre les mêmes ondulations et plis au niveau nano que l'on trouverait dans les filets de pêche à grande échelle. Crédit :Adam Feinberg, Université de Harvard
Dans la nature, les cellules et les tissus s'assemblent et s'organisent au sein d'une matrice de fibres protéiques qui détermine finalement leur structure et leur fonction, comme l'élasticité de la peau et la contractilité du tissu cardiaque. Ces principes de conception naturels ont maintenant été reproduits avec succès en laboratoire par des bio-ingénieurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et de la School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de l'Université Harvard.
Ces bio-ingénieurs ont développé une nouvelle technologie qui peut être utilisée pour régénérer le cœur et d'autres tissus et pour fabriquer des tissus nanométriques d'épaisseur qui sont à la fois solides et extrêmement élastiques. La percée clé est venue du développement d'une matrice qui peut s'assembler par interaction avec une surface thermosensible. La composition en protéines de cette matrice peut être personnalisée pour générer des propriétés spécifiques, et le nanotissu peut ensuite être retiré sous forme de feuille en modifiant la température.
« À ce jour, il a été très difficile de reproduire cette matrice extracellulaire en utilisant des matériaux artificiels, " a déclaré Adam W. Feinberg, un boursier postdoctoral à l'Université Harvard qui sera professeur adjoint à l'Université Carnegie Mellon à l'automne. "Mais nous avons pensé que si les cellules pouvaient construire cette matrice à la surface de leurs membranes, peut-être que nous pouvons le construire nous-mêmes sur une surface aussi. Nous étions ravis de voir que nous pouvions. »
Feinberg est l'auteur principal de "Surface-Initiated Assembly of Protein Nanofabrics, " qui apparaît dans le numéro actuel de Nano Letters, une publication de l'American Chemical Society. Le coauteur Kit Parker est un membre principal du corps professoral du Wyss Institute, le professeur agrégé Thomas D. Cabot de sciences appliquées et professeur agrégé de bio-ingénierie à SEAS, et membre du Harvard Stem Cell Institute.
Dans le domaine de la régénération tissulaire, leur technologie, qui est appelé nanofabrics de protéines, représente une avancée significative. Les méthodes actuelles de régénération des tissus impliquent généralement l'utilisation de polymères synthétiques pour créer un échafaudage. Mais cette approche peut provoquer des effets secondaires négatifs à mesure que les polymères se dégradent. Par contre, les nanotissus sont fabriqués à partir des mêmes protéines que les tissus normaux, et ainsi le corps peut les dégrader sans effets néfastes une fois qu'ils ne sont plus nécessaires. Les premiers résultats ont produit des brins de muscle cardiaque similaires au muscle papillaire, ce qui peut conduire à de nouvelles stratégies de réparation et de régénération dans tout le cœur.
"Avec les nanotissus, nous pouvons contrôler le nombre de threads, orientation, et composition, et cette capacité nous permet de créer de nouveaux échafaudages d'ingénierie tissulaire qui dirigent la régénération, " a déclaré Parker. " Cela nous permet également d'exploiter les propriétés à l'échelle nanométrique de ces protéines de nouvelles façons au-delà des applications médicales. Il existe un large éventail d'applications pour cette technologie utilisant des produits naturels, ou concepteur, protéines synthétiques."
Les textiles hautes performances sont la deuxième application principale de cette technologie. En modifiant le type de protéine utilisée dans la matrice, les chercheurs peuvent manipuler le nombre de threads, orientation des fibres, et d'autres propriétés pour créer des tissus aux propriétés extraordinaires. Aujourd'hui, un élastique moyen peut être étiré de 500 à 600 pour cent, mais les futurs textiles peuvent être extensibles jusqu'à 1, 500 pour cent. Les applications futures de ces textiles sont aussi diverses que les vêtements ajustés, des pansements qui accélèrent la cicatrisation, et la fabrication industrielle.
Ce nanotissu est capable de supporter une petite déchirure sans faillir. Crédit :Adam Feinberg, Université de Harvard
La recherche fait partie d'un programme plus vaste sur les nanotextiles au Wyss Institute et au SEAS. Dans le même numéro de Nano lettres, L'équipe de Parker a également rendu compte du développement d'une nouvelle technologie qui fabrique des nanofibres à l'aide d'un jet rotatif et buse. Cette invention a des applications potentielles allant des organes artificiels et de la régénération des tissus aux vêtements et aux filtres à air.
"Le Wyss Institute est très fier d'être associé à deux découvertes aussi importantes, " a déclaré Donald E. Ingber, MARYLAND., Doctorat., Directeur fondateur de l'Institut Wyss. "Ce sont d'excellents exemples de réalisation de notre mission d'utiliser les principes de conception de la nature pour développer des technologies qui auront un impact énorme sur notre façon de vivre."
Le Wyss Institute fonctionne comme une alliance entre les écoles de médecine de Harvard, Ingénierie, et Arts &Sciences en partenariat avec Beth Israel Deaconess Medical Center, Hôpital pour enfants, Institut du cancer Dana Farber, la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts, et l'Université de Boston.
En imitant les principes de la nature pour l'auto-organisation et l'autorégulation, Les chercheurs de Wyss développent de nouvelles solutions innovantes pour les soins de santé, énergie, architecture, robotique, et fabrication. Ces technologies sont traduites en produits et thérapies commerciaux grâce à des collaborations avec des chercheurs cliniques et des alliances avec des entreprises.
