Crédit d’image: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR – La force liquide inégalée du cartilage, qui est d’environ 80% d’eau, résiste à certaines des forces les plus dures de notre corps.
Les matériaux synthétiques ne pouvaient pas correspondre – jusqu’à ce que « 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 notre corps a beaucoup de stabilité structurelle », a déclaré Nicholas Kotov, 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 ensemble. »
De nombreuses personnes souffrant de lésions articulaires bénéficieraient d’un bon remplacement du cartilage, comme les 850 000 patients aux États-Unis qui subissent des interventions chirurgicales pour enlever ou remplacer le cartilage du genou.
Alors que d’autres variétés de cartilage synthétique font déjà l’objet d’essais cliniques, ces matériaux se divisent en deux camps qui choisissent entre les attributs du cartilage, incapables d’atteindre 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 prospérer, a déclaré Kotov.
Pendant ce temps, les hydrogels — qui incorporent de l’eau dans un réseau de molécules longues et flexibles — peuvent être conçus avec suffisamment d’eau pour soutenir la croissance des cellules de chondrocytes qui forment le cartilage naturel. Pourtant, ces hydrogels ne sont pas particulièrement forts. Ils déchirent sous les souches une fraction de ce que le cartilage peut gérer.
Comme le cartilage naturel, le cartilage artificiel résiste aux contraintes en libérant de l’eau et peut ensuite se rétablir en absorbant l’eau. Crédit d’image: Joseph Xu, Michigan Engineering
Le nouvel hydrogel à base de Kevlar recrée la magie du cartilage en combinant un réseau de nanofibres robustes en Kevlar — les fibres « aramides » les plus connues pour fabriquer des gilets pare—balles – avec un matériau couramment utilisé dans les remplacements de cartilage en hydrogel, appelé alcool polyvinylique ou PVA.
Dans le cartilage naturel, le réseau de protéines et d’autres biomolécules tire sa force en résistant 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 se rétablit en absorbant l’eau plus tard.
Ce mécanisme permet aux articulations à fort impact, telles que les genoux, de résister aux forces de punition. Courir à plusieurs reprises brise le cartilage entre les os, forçant l’eau à sortir et rendant le cartilage plus souple. Ensuite, lorsque le coureur se repose, le cartilage absorbe l’eau de sorte qu’il offre à nouveau une forte résistance à la compression.
Une image au microscope électronique de la matrice de cartilage synthétique. Crédit d’image: Lizhi Xu, Kotov Lab
Le cartilage synthétique possède le même mécanisme, libérant de l’eau sous stress et récupérant plus tard en absorbant l’eau comme une éponge. Les nanofibres d’aramide construisent la structure 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 contenant 92% d’eau étaient comparables en résistance au cartilage, la version à 70% atteignant la résilience du caoutchouc.
Comme les nanofibres d’aramide et le PVA ne nuisent pas aux cellules adjacentes, Kotov prévoit que ce cartilage synthétique pourrait être un implant adapté à certaines situations, telles que 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, de PVA et d’eau, peuvent être en mesure de remplacer d’autres tissus mous.
« Nous avons beaucoup de membranes dans le corps qui nécessitent les mêmes propriétés. Je voudrais évaluer l’espace « , a déclaré Kotov. « Je parlerai aux médecins de l’endroit où se trouve le besoin aigu et où cette intersection des propriétés nous permettra de progresser au mieux et d’avoir le plus grand impact. »
Kotov est membre du Biointerfaces Institute, qui offre un espace partagé aux chercheurs des écoles d’ingénierie et de médecine de l’U-M. Il est également professeur de génie chimique, de science et d’ingénierie des matériaux et de science et d’ingénierie macromoléculaires.
L’étude, récemment publiée dans Advanced Materials, s’intitule « Composites biomimétiques riches en eau avec réseau de nanofibres auto-organisatrices 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.