Le corps humain est maintenu ensemble par un système de câbles complexe de tendons et de muscles, conçu par nature pour être résistant et hautement extensible. Une blessure à l'un de ces tissus, en particulier dans une articulation importante comme l'épaule ou le genou, peut nécessiter des réparations chirurgicales et des semaines de mobilité limitée pour guérir complètement.

Les ingénieurs du MIT ont maintenant mis au point une conception d'ingénierie tissulaire qui peut permettre une amplitude de mouvement flexible dans les tendons et les muscles blessés pendant la guérison.

L'équipe a conçu de petites bobines garnies de cellules vivantes, qui, selon eux, pourraient agir comme des échafaudages extensibles pour réparer les muscles et les tendons endommagés. Les bobines sont composées de centaines de milliers de nanofibres biocompatibles, étroitement tordu en bobines ressemblant à une corde nautique miniature, ou du fil.

Les chercheurs ont enduit le fil de cellules vivantes, y compris les cellules souches musculaires et mésenchymateuses, qui poussent naturellement et s'alignent le long du fil, en motifs similaires au tissu musculaire. Les chercheurs ont découvert que la configuration enroulée du fil aide à maintenir les cellules en vie et en croissance, alors même que l'équipe étirait et pliait le fil plusieurs fois.

À l'avenir, les chercheurs envisagent que les médecins pourraient recouvrir les tendons et les muscles endommagés des patients avec ce nouveau matériau flexible, qui serait recouvert des mêmes cellules qui composent le tissu lésé. L'extensibilité du "fil" pourrait aider à maintenir l'amplitude de mouvement d'un patient tandis que de nouvelles cellules continuent de se développer pour remplacer le tissu blessé.

"Lorsque vous réparez un muscle ou un tendon, vous devez vraiment fixer leur mouvement pendant une période de temps, en portant une botte, par exemple, " dit Ming Guo, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. "Avec ce fil de nanofibre, l'espoir est, vous n'aurez pas à porter quelque chose comme ça."

Guo et ses collègues ont publié leurs résultats cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Ses co-auteurs au MIT sont Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta, et Jiliang Hu. L'équipe comprend également Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nu Wang, et Yong Zhao, de l'Université de Beihang.

Collé sur la gomme

Le nouveau fil de nanofibres s'inspire en partie des travaux antérieurs du groupe sur les membranes de homard, où ils ont trouvé que le ventre dur mais extensible du crustacé est dû à une couche, structure en contreplaqué. Chaque couche microscopique contient des centaines de milliers de nanofibres, tous alignés dans le même sens, à un angle légèrement décalé par rapport au calque juste au-dessus et au-dessous.

L'alignement précis des nanofibres rend chaque couche individuelle hautement extensible dans la direction dans laquelle les fibres sont disposées. Guo, dont les travaux portent sur la biomécanique, a vu le motif extensible naturel du homard comme une source d'inspiration pour la conception de tissus artificiels, en particulier pour les régions du corps très extensibles telles que l'épaule et le genou.

Guo dit que les ingénieurs biomédicaux ont intégré des cellules musculaires dans d'autres matériaux extensibles tels que des hydrogels, dans les tentatives de façonner des tissus artificiels flexibles. Cependant, tandis que les hydrogels eux-mêmes sont extensibles et résistants, les cellules incrustées ont tendance à se casser lorsqu'elles sont étirées, comme du papier de soie collé sur un chewing-gum.

"Lorsque vous déformez largement un matériau comme l'hydrogel, il sera bien étiré, mais les cellules ne peuvent pas le supporter, " dit Guo. " Une cellule vivante est sensible, et quand vous les étirez, ils meurent."

Abri dans un slinky

Les chercheurs ont réalisé que le simple fait de considérer l'extensibilité d'un matériau ne suffirait pas pour concevoir un tissu artificiel. Ce matériau devrait également être capable de protéger les cellules des contraintes sévères produites lorsque le matériau est étiré.

L'équipe s'est tournée vers de vrais muscles et tendons pour s'inspirer davantage, et observé que les tissus sont constitués de brins de fibres protéiques alignées, enroulés ensemble pour former des hélices microscopiques, le long duquel les cellules musculaires se développent. Il se trouve que, lorsque les bobines de protéines s'étirent, les cellules musculaires tournent simplement, comme de minuscules morceaux de papier de soie collés sur un slinky.

Guo a cherché à reproduire ce naturel, extensible, structure protectrice des cellules en tant que matériau de tissu artificiel. Faire cela, l'équipe a d'abord créé des centaines de milliers de nanofibres alignées, en utilisant l'électrofilage, une technique qui utilise la force électrique pour filer des fibres ultrafines à partir d'une solution de polymère ou d'autres matériaux. Dans ce cas, il a généré des nanofibres fabriquées à partir de matériaux biocompatibles tels que la cellulose.

L'équipe a ensuite regroupé des fibres alignées et les a tordues lentement pour former d'abord une spirale, et puis une bobine encore plus serrée, ressemblant finalement à du fil et mesurant environ un demi-millimètre de large. Finalement, ils ont ensemencé des cellules vivantes le long de chaque bobine, y compris les cellules musculaires, Les cellules souches mésenchymateuses, et les cellules humaines du cancer du sein.

Les chercheurs ont ensuite étiré à plusieurs reprises chaque bobine jusqu'à six fois sa longueur d'origine, et a constaté que la majorité des cellules sur chaque bobine restaient vivantes et continuaient à croître au fur et à mesure que les bobines étaient étirées. De façon intéressante, quand ils ont ensemencé des cellules sur plus lâche, des structures en forme de spirale réalisées dans les mêmes matériaux, ils ont découvert que les cellules étaient moins susceptibles de rester en vie. Guo dit que la structure des bobines plus serrées semble "protéger" les cellules des dommages.

Aller de l'avant, le groupe envisage de fabriquer des bobines similaires à partir d'autres matériaux biocompatibles comme la soie, qui pourrait finalement être injecté dans un tissu lésé. Les bobines pourraient fournir un temporaire, échafaudage flexible pour la croissance de nouvelles cellules. Une fois que les cellules ont réussi à réparer une blessure, l'échafaudage peut se dissoudre.

« On pourra peut-être un jour incruster ces structures sous la peau, et le matériau [de la bobine] finirait par être digéré, tandis que les nouvelles cellules restent en place, " dit Guo. " La bonne chose à propos de cette méthode est, c'est vraiment général, et nous pouvons essayer différents matériaux. Cela peut beaucoup repousser les limites de l'ingénierie tissulaire. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.