Une matière qui s'épaissit lorsqu'on tire dessus semble contredire les lois de la physique. Cependant, l'effet dit auxétique, qui se produit également dans la nature, est intéressant pour un certain nombre d'applications. Une nouvelle étude de l'Empa publiée récemment dans Communication Nature montre comment ce comportement étonnant peut être amélioré et même utilisé pour traiter les blessures et les lésions tissulaires.

La nature nous montre comment faire :un veau qui tète le lait du pis d'une vache utilise une propriété physique fascinante de la tétine, qui consiste en un tissu auxétique. Paradoxalement, ces tissus ne se rétrécissent pas sous tension, comme un élastique, mais plus large, transversalement à la direction de traction. Par conséquent, le lait de vache peut s'écouler sans entrave par la tétine. Les scientifiques de l'Empa viennent de démontrer les étonnantes propriétés auxétiques des membranes en nanofibres développées spécifiquement à cet effet. L'étude publiée dans Communication Nature indique un large éventail d'applications pour les matériaux auxétiques, y compris l'utilisation de membranes auxétiques pour régénérer les tissus humains après des blessures.

Les lésions cutanées ou les lésions tissulaires des organes internes guérissent par, entre autres, des cellules migrantes qui s'installent et forment un tissu de remplacement sain. Ce qui est généralement fait sans plus tarder dans le cas de, dire, une petite incision au bout du doigt peut dépasser les possibilités du corps humain, par exemple, lorsque des plaies complexes surviennent, comme les brûlures, ou lorsqu'une régénération tissulaire plus étendue est requise.

Cependant, la régénération tissulaire peut être facilitée :Si un échafaudage approprié est fourni, les cellules désirées s'installent plus facilement et se développent le long de la structure prédéfinie. Les chercheurs de l'Empa du laboratoire Biomimetic Membranes and Textiles de Saint-Gall ont maintenant développé de nouveaux systèmes matriciels aux propriétés auxétiques. Par électrofilage, les polymères dissous sont filés sous forme de filaments ultra-fins sous une forme similaire à la matrice extracellulaire humaine. Cela permet de produire des membranes multicouches à partir de nanofibres qui sont biocompatibles et peuvent être implantées dans le corps humain. « Si des biopolymères tels que les acides polylactiques sont utilisés dans le processus de filage, les membranes peuvent même être dégradées par l'organisme, " explique Giuseppino Fortunato, chercheur à l'Empa. De plus, des substances bioactives ou des médicaments peuvent être incorporés dans les fibres pour une libération contrôlée et minimisée.

Taille de pores attrayante

L'un des défis jusqu'à présent a été de rendre la taille des pores de la membrane filée aussi attrayante que possible pour que les cellules corporelles souhaitées adhèrent. Dans les membranes d'origine, les fils de polymère ne formaient que de minuscules pores de quelques micromètres. Avec ses 20 micromètres, cependant, une cellule tissulaire qui doit coloniser l'échafaudage est beaucoup trop grande pour s'adapter parfaitement à la membrane.

Après que les chercheurs aient optimisé les paramètres de filage, un réseau polymère aux propriétés surprenantes a pu être produit :lorsque la membrane a été exposée à des forces de traction douces, en l'étirant d'environ 10 %, au lieu de devenir plus mince, le matériau a augmenté d'environ 5 fois en volume et même 10 fois en épaisseur. "Un effet auxétique de cette ampleur est presque un record du monde, " s'enthousiasme Alexander Ehret du laboratoire Experimental Continuum Mechanics de l'Empa. Ehret et son équipe avaient d'abord prédit l'effet extraordinaire à l'aide d'une modélisation mécanique et l'avaient simulé sur ordinateur avant d'analyser expérimentalement des échantillons de membrane. si étonnant, " dit Ehret. L'effet auxétique, qui peut être quantifié mathématiquement par le rapport de la déformation transversale à la déformation longitudinale - le coefficient de Poisson -, est caractérisé par des valeurs négatives pour le coefficient de Poisson. "Jusque là, des valeurs autour de -20 ont été atteintes. Nos résultats étaient bien en dessous de -100, ", explique l'expert en biomécanique.

Et bien sûr :dans les essais de traction, les membranes polymères se sont comportées comme simulées sur ordinateur. L'effet peut s'expliquer par des fibres qui se réalignent sous tension et exercent ainsi une pression sur leurs collègues transversaux du réseau. Selon leur longueur et leur épaisseur, les fibres sous pression sont obligées de se plier vers le haut ou vers le bas et entraînent ainsi une augmentation de volume.

Agrandir à la demande

Essentiellement, les membranes électrofilées sont adaptées au traitement des plaies et des lésions tissulaires à des endroits aussi divers que sur la peau, dans les vaisseaux sanguins et dans les organes internes ou même dans les lésions osseuses. Une sélection appropriée de polymères et des paramètres de filage optimisés permettent d'adapter la membrane polymère aux propriétés du tissu cible. "Grâce au volume plus important causé par l'effet auxétique, les structures matricielles sont maintenant encore plus attrayantes pour les cellules du corps et pourraient faciliter le processus de guérison, " dit Giuseppino Fortunato.

En plus de son utilisation en biomédecine, le concept, qui est déjà en instance de brevet, peut également être appliqué dans de nombreux autres domaines. Selon les chercheurs, membranes qui peuvent être activées par le stress pour libérer les particules enfermées, filtres réglables ou matériau de remplissage qui ne se dilate qu'à son volume final au point d'utilisation, c'est-à-dire quasi "développer à la demande, " sont des applications potentielles futures.

La structure des nanofibres

La structure interne des nanofibres individuelles a une influence majeure sur les propriétés des membranes. Si les nanofibres sont traitées avec certains solvants, la structure des nanofibres peut être élucidée. Le chercheur de l'Empa Alexandre Morel a maintenant découvert que la variation des paramètres de filage entraîne différentes structures de fibres, telles que les phases fibrillaires ou shish kebab. Au microscope électronique, les structures de shish kebab apparaissent sous forme de couches empilées ressemblant à une broche de kebab. Ils ont une grande influence sur les propriétés mécaniques des membranes et donc aussi sur l'effet auxétique.