Des hydrogels pourraient être utilisés en médecine

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Les muscles squelettiques humains possèdent une combinaison unique de propriétés que les scientifiques recherchent pour leurs propres créations. Ils sont forts, doux, remplis d’eau et résistent à la fatigue.

Donner aux hydrogels de synthèse les caractéristiques des muscles

Une nouvelle étude réalisée par des chercheurs du MIT a trouvé un moyen de donner aux hydrogels de synthèse tout cet ensemble de caractéristiques: en leur faisait subir un entraînement vigoureux. Les scientifiques ont notamment formé mécaniquement les hydrogels en les étirant dans un bain-marie. Et tout comme pour les muscles squelettiques, les homologues artificiels ont très bien réagi.

La formation a aligné des nanofibres à l’intérieur des hydrogels pour produire un matériau fort, doux et hydraté qui résistait à la dégradation ou à la fatigue lors de milliers de mouvements répétitifs.

Les hydrogels d’alcool polyvinylique (PVA) formés dans cette expérience sont des biomatériaux bien connus que les chercheurs utilisent pour des implants médicaux, des revêtements de médicaments et d’autres applications, explique Xuanhe Zhao, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. « Mais l’une de ces quatre propriétés importantes n’a pas encore été conçue ou fabriquée. »

Dans leur article Zhao et ses collègues décrivent comment les hydrogels peuvent également être imprimés en 3D dans une variété de formes pouvant être entraînées pour développer par la suite de muscles des propriétés spécifiques. À l’avenir, ces matériaux pourraient être utilisés dans des implants tels que «des valves cardiaques, pour remplacer le cartilage et des disques vertébraux, ainsi que dans des applications d’ingénierie telles que des robots souples», explique Zhao.

Parmi les autres auteurs du MIT, citons l’étudiant diplômé Shaoting Lin, le postdoctorant Ji Liu et l’étudiant diplômé Xunyue Liu dans le laboratoire de Zhao.

Un entraînement pour avoir plus de force

Les tissus naturels porteurs comme les muscles et les valves cardiaques sont une bioinspiration pour les chercheurs, mais concevoir des matériaux qui capturent toutes leurs propriétés simultanément a été un défi de taille, explique Zhao. Par exemple, on peut concevoir un hydrogel avec des fibres très alignées pour lui donner de la force, mais il se peut qu’il ne soit pas aussi flexible qu’un muscle ou qu’il ne contienne pas la teneur en eau qui le rend compatible avec une utilisation chez l’homme.

«La plupart des tissus du corps humain contiennent environ 70% d’eau. Par conséquent, si nous souhaitons implanter un biomatériau dans le corps, une teneur en eau plus élevée est préférable pour de nombreuses applications dans le corps», explique Zhao.

La découverte que l’entraînement mécanique pouvait produire un hydrogel de type musculaire était plutôt un accident, explique Lin, l’auteur principal de l’étude. L’équipe de recherche avait effectué des tests de chargement mécanique cyclique avec les hydrogels, essayant de trouver le point faible où les hydrogels commençaient à se dégrader. Au lieu de cela, ils ont été surpris de constater que l’entraînement cyclique renforçait les hydrogels.

«Ce phénomène de renforcement des hydrogels après une charge cyclique va à l’encontre des connaissances actuelles sur la fatigue dans les hydrogels, mais partage la similitude avec le mécanisme de renforcement musculaire après l’entraînement», explique Lin.

Avant l’entraînement, les nanofibres qui composent l’hydrogel sont orientées de manière aléatoire. «Au cours du processus d’entraînement, nous nous sommes rendu compte que nous alignions les nanofibres», explique Lin, ajoutant que l’alignement était similaire à ce qui se passe pour un muscle humain soumis à des exercices répétés.

Cette formation a rendu les hydrogels plus forts et résistants à la fatigue. La combinaison des quatre propriétés-clés est apparue après environ 1 000 cycles d’étirement, mais certains des hydrogels ont été étirés sur 30 000 cycles sans se dégrader. La résistance à la traction de l’hydrogel entraîné, dans la direction des fibres alignées, a augmenté d’environ 4,3 fois par rapport à l’hydrogel non étiré. Dans le même temps, l’hydrogel a démontré une flexibilité douce et maintenu une teneur en eau élevée de 84%.

Le facteur antifatigue

Les scientifiques se sont tournés vers la microscopie confocale pour examiner de plus près les hydrogels ainsi formés, afin de découvrir s’ils pouvaient découvrir les raisons de leur impressionnante propriété antifatigue. « Nous les avons soumis à des milliers de cycles de charge, alors pourquoi nous n’avons pas échoué? », A déclaré Lin. « Ce que nous avons fait est de couper perpendiculairement ces nanofibres et essayer de propager une fissure ou un dommage dans ce matériau. »

«Nous avons coloré les fibres au microscope pour voir comment elles se sont déformées à la suite de la coupe. Nous avons constaté qu’un phénomène appelé épinglure de fissures était responsable de la résistance à la fatigue», explique Ji.

« Dans un hydrogel amorphe, où les chaînes de polymères sont alignées de manière aléatoire, il ne faut pas beaucoup d’énergie pour que les dommages se propagent à travers le gel », ajoute Lin. «Mais dans les fibres alignées de l’hydrogel, une fissure perpendiculaire aux fibres est «épinglée» à la place et empêchée de s’allonger car il faut beaucoup plus d’énergie pour se fracturer une à une à travers les fibres alignées.»

En fait, les hydrogels formés dépassaient le fameux seuil de fatigue, prédit par la théorie de Lake-Thomas, qui propose l’énergie nécessaire pour fracturer une seule couche de chaînes de polymères amorphes telles que celles qui composent les hydrogels de PVA. Les hydrogels formés sont 10 à 100 fois plus résistants à la fatigue que prévu par la théorie, ont conclu Zhao et ses collègues.

Source : MIT
Crédit photo sur Unsplash : Olga Guryanova

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