Les chercheurs de Duke créent le premier gel mimant le cartilage qui est assez fort pour les genoux

La couche mince et glissante de cartilage entre les os du genou est magique: assez solide pour supporter le poids d'une personne, mais suffisamment souple et souple pour amortir l'articulation contre les chocs, au cours de décennies d'utilisation répétée. Cette combinaison de doux mais fort a été difficile à reproduire en laboratoire. Mais maintenant, les chercheurs de l'Université Duke disent qu'ils ont créé un gel expérimental qui est le premier à correspondre à la force et à la durabilité de la vraie chose.

Le matériau peut ressembler à un cousin éloigné de Jell-O – ce qu'il est – mais il est incroyablement solide. C'est 60% d'eau, mais un seul disque d'un quart de taille peut supporter le poids d'un kettlebell de 100 livres sans se déchirer ni perdre sa forme.

Ses développeurs disent que c'est le premier hydrogel – des matériaux en polymères absorbant l'eau – capable de résister aux tiraillements et aux charges lourdes ainsi qu'au cartilage humain, sans s'user avec le temps.

Menée par Ben Wiley et Ken Gall, chercheurs de Duke en chimie et matériaux, la recherche pourrait un jour offrir aux personnes souffrant de troubles du genou un remplacement pour le cartilage endommagé et une alternative aux 600000 chirurgies de remplacement du genou effectuées aux États-Unis chaque année.

Un tissu caoutchouteux lisse qui recouvre les extrémités des os et leur permet de glisser en douceur les uns contre les autres, le cartilage aide à absorber une énorme quantité de force à chaque étape – généralement entre deux et trois fois votre poids corporel.

Cependant, le cartilage a également une capacité limitée à se guérir et à se réparer. Une fois porté par l'âge, la surutilisation ou un traumatisme, il est difficile à traiter, a déclaré Gall, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à Duke.

Pour les patients qui souhaitent éviter ou reporter un remplacement du genou qui ne peut durer que 20 ans, le cartilage artificiel peut aider. Les hydrogels ont été explorés pour une utilisation comme substitut du cartilage depuis les années 1970 et sont utilisés dans les lentilles de contact souples et les couches jetables. Les chercheurs sont attirés par ces matériaux en raison de leurs propriétés glissantes et d'absorption des chocs et parce qu'ils ne nuisent pas aux cellules voisines. Mais jusqu'à présent, ils se sont révélés trop faibles pour être utilisés dans des articulations porteuses comme le genou.

L'équipe Duke a décidé de changer cela.

Nous avons décidé de fabriquer le premier hydrogel possédant les propriétés mécaniques du cartilage. « 

Ben Wiley, professeur de chimie, Duke University

Le nouvel hydrogel se compose de deux réseaux de polymères entrelacés: l'un fait de fils extensibles de type spaghetti et l'autre plus rigide et en forme de panier, avec des charges négatives sur toute leur longueur. Celles-ci sont renforcées par un troisième ingrédient, un maillage de fibres cellulosiques.

Lorsque le gel est étiré, les fibres de cellulose résistent à la traction et aident à maintenir le matériau ensemble. Et lorsqu'il est pressé, les charges négatives le long des chaînes rigides en polymère se repoussent et adhèrent à l'eau, l'aidant à reprendre sa forme d'origine.

« Seule cette combinaison des trois composants est à la fois flexible et rigide et donc solide », a déclaré le co-auteur Feichen Yang, qui a obtenu un doctorat en chimie au laboratoire de Wiley.

Lorsque les chercheurs ont comparé le matériau résultant à d'autres hydrogels, le leur était le seul qui était aussi fort que le cartilage sous écrasement et étirement.

Dans une expérience, l'équipe l'a soumis à 100 000 cycles de traction répétée, et le matériau a tenu aussi bien que le titane poreux utilisé pour les implants osseux, « ce qui a dépassé nos attentes initiales », a déclaré le co-auteur William Koshut, un doctorat. . étudiant au laboratoire Gall.

Ils ont également frotté le nouveau matériau contre le cartilage naturel un million de fois. Ils ont constaté que sa surface autolubrifiante lisse et glissante est aussi résistante à l'usure que la vraie chose et quatre fois plus résistante à l'usure que les implants de cartilage synthétiques actuellement approuvés par la FDA pour une utilisation dans le gros orteil.

Déplacer le matériel du laboratoire à la clinique prendrait encore trois ans au moins, a déclaré Wiley. Les premiers tests de sécurité suggèrent que le matériau n'est pas toxique pour les cellules cultivées en laboratoire. L'étape suivante consiste à concevoir un implant qu'ils peuvent tester sur des moutons.

Mais l'équipe affirme qu'à terme, la recherche pourrait offrir de nouvelles options aux personnes souffrant de douleurs au genou et les ramener à faire les choses qu'elles aiment sans les longs temps de récupération et la durée de vie limitée associés à la réparation du cartilage ou à la chirurgie de remplacement du genou.

La source:

Référence de la revue:

Yang, F., et al. (2020) Un composite d'hydrogel synthétique avec le comportement mécanique et la durabilité du cartilage. Matériaux fonctionnels avancés. doi.org/10.1002/adfm.202003451.

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