Le cartilage artificiel est très flexible mais résistant à la déchirure. Crédit :Joseph Xu, Michigan Ingénierie Communications et marketing
La force liquide inégalée du cartilage, qui est d'environ 80 pour cent d'eau, résiste à certaines des forces les plus dures sur notre corps.
Les matériaux synthétiques ne pouvaient pas l'égaler, jusqu'à ce que le "Kevlartilage" soit développé par des chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université de Jiangnan.
"Nous savons que nous sommes principalement constitués d'eau - toute la vie le fait - et pourtant nos corps ont une grande stabilité structurelle, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur d'ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka à l'U-M, qui a dirigé l'étude. « Comprendre le cartilage, c'est comprendre comment les formes de vie peuvent combiner des propriétés parfois impensables. »
De nombreuses personnes souffrant de lésions articulaires bénéficieraient d'un bon remplacement du cartilage, comme le 850, 000 patients aux États-Unis qui subissent des interventions chirurgicales pour retirer ou remplacer le cartilage du genou.
Alors que d'autres variétés de cartilage synthétique font déjà l'objet d'essais cliniques, ces matériaux se répartissent en deux camps qui choisissent entre les attributs du cartilage, incapable d'obtenir cette combinaison improbable de force et de teneur en eau.
Les autres matériaux synthétiques qui imitent les propriétés physiques du cartilage ne contiennent pas assez d'eau pour transporter les nutriments dont les cellules ont besoin pour se développer, dit Kotov.
Les cellules survivent bien dans la matrice cartilagineuse synthétique :les cellules vertes sont vivantes, et les globules rouges sont morts. Crédits :Lizhi Xu, Laboratoire Kotov, Université du Michigan.
Pendant ce temps, hydrogels - qui incorporent l'eau dans un réseau de longues, molécules flexibles - peuvent être conçues avec suffisamment d'eau pour soutenir la croissance des cellules chondrocytes qui forment le cartilage naturel. Pourtant, ces hydrogels ne sont pas particulièrement forts. Ils déchirent sous les contraintes une fraction de ce que le cartilage peut supporter.
Le nouvel hydrogel à base de Kevlar recrée la magie du cartilage en combinant un réseau de nanofibres résistantes de Kevlar - les fibres "aramides" les plus connues pour fabriquer des gilets pare-balles - avec un matériau couramment utilisé dans les remplacements de cartilage hydrogel, appelé alcool polyvinylique, ou PVA.
Dans le cartilage naturel, le réseau de protéines et d'autres biomolécules tire sa force de la résistance à l'écoulement de l'eau entre ses chambres. La pression de l'eau reconfigure le réseau, lui permettant de se déformer sans se casser. L'eau est libérée dans le processus, et le réseau récupère en absorbant l'eau plus tard.
Ce mécanisme permet des joints à fort impact, comme les genoux, résister aux forces punitives. Courir à plusieurs reprises martèle le cartilage entre les os, forçant l'eau à sortir et rendant le cartilage plus souple en conséquence. Puis, quand le coureur se repose, le cartilage absorbe l'eau de sorte qu'il offre à nouveau une forte résistance à la compression.
Le cartilage synthétique possède le même mécanisme, libérer de l'eau en cas de stress et récupérer plus tard en absorbant l'eau comme une éponge. Les nanofibres d'aramide construisent la charpente du matériau, tandis que le PVA emprisonne l'eau à l'intérieur du réseau lorsque le matériau est exposé à un étirement ou à une compression. Même les versions du matériau qui étaient à 92 pour cent d'eau étaient comparables en résistance au cartilage, avec la version à 70 pour cent atteignant la résilience du caoutchouc.
Une image au microscope électronique de la matrice cartilagineuse synthétique. Crédits :Lizhi Xu, Laboratoire Kotov, Université du Michigan.
Comme les nanofibres d'aramide et le PVA n'endommagent pas les cellules adjacentes, Kotov prévoit que ce cartilage synthétique peut être un implant approprié pour certaines situations, comme les parties les plus profondes du genou. Il se demande également si les chondrocytes pourraient s'installer à l'intérieur du réseau synthétique pour produire un cartilage hybride.
Mais ses applications potentielles ne se limitent pas au cartilage. Il soupçonne que des réseaux similaires, avec des proportions différentes de nanofibres d'aramide, PVA et eau, peut être capable de remplacer d'autres tissus mous.
"Nous avons beaucoup de membranes dans le corps qui nécessitent les mêmes propriétés. J'aimerais évaluer l'espace, " a déclaré Kotov. "Je parlerai aux médecins de l'endroit où se trouve le besoin aigu et de l'endroit où cette intersection des propriétés nous permettra de faire les meilleurs progrès et le plus grand impact."
Kotov est membre du Biointerfaces Institute, qui offre un espace partagé aux chercheurs des écoles d'ingénieurs et de médecine de l'UM. Il est également professeur de génie chimique, science et ingénierie des matériaux, et la science et l'ingénierie macromoléculaires.
L'étude, récemment publié dans Matériaux avancés , s'intitule "Composites biomimétiques riches en eau avec un réseau de nanofibres auto-organisées abiotiques". Il a été soutenu par la National Science Foundation, avec un financement supplémentaire du ministère de la Défense. L'université recherche une protection par brevet et des partenaires pour commercialiser la technologie.
