Des « nanofibres » permettent d’obtenir un tissu extensible

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Le corps humain est maintenu par un système de câbles complexe de tendons et de muscles, conçu par la nature pour être robuste et très extensible. Une blessure à l’un de ces tissus, en particulier dans une articulation telle que l’épaule ou le genou, peut nécessiter des réparations chirurgicales et des semaines de mobilité réduite avant d’avoir une guérison complète.

Des nanofibres pour remplacer des tendons blessés

À présent, des ingénieurs du MIT ont mis au point des tissus qui ressembles à des tendons. Plus précisément l’équipe a mis au point de petites bobines recouvertes de cellules vivantes, qui pourraient servir d’échafaudages extensibles pour réparer les tendons et les muscles endommagés. Ces bobines sont fabriquées à partir de centaines de milliers de nanofibres biocompatibles, étroitement tordues en bobines ressemblant à des cordes miniatures.

Les chercheurs ont enduit le fil de cellules vivantes, y compris de cellules souches musculaires et mésenchymateuses, qui se développent naturellement et s’alignent le long du fil, selon des motifs similaires à ceux du tissu musculaire. Les chercheurs ont découvert que cette configuration en spirale permettait de maintenir les cellules en vie et en croissance, même si l’équipe tendait et pliait le fil plusieurs fois.

Selon les chercheurs, les médecins pourraient à l’avenir recouvrir les tendons et les muscles endommagés des patients avec ce nouveau matériau flexible, qui serait recouvert des mêmes cellules qui constituent le tissu lésé. L’étirement du «fil» pourrait aider à maintenir l’amplitude des mouvements du patient pendant que de nouvelles cellules continuent à se développer pour remplacer le tissu blessé.

«Lorsque vous réparez un muscle ou un tendon, vous devez vraiment réparer leur mouvement pendant un certain temps, en portant par exemple une botte», explique Ming Guo, professeur assistant en génie mécanique au MIT. « Avec ce fil de nanofibres, on espère que vous ne porterez rien de ce genre. »

Guo et ses collègues ont publié leurs résultats cette semaine dans PNAS. Ses coauteurs du MIT sont Yiwei Li, Yukun Hao, Satish Gupta et Jiliang Hu. L’équipe comprend également Fengyun Guo, Yaqiong Wang, Nü Wang et Yong Zhao, de l’Université de Beihang.

Des travaux inspirés des membranes des homards

Le nouveau fil de nanofibres s’inspire en partie des travaux antérieurs du groupe sur les membranes des homards, où il a été découvert que sous le ventre du crustacé une structure stratifiée en forme de contreplaqué était présente. Chaque couche microscopique contient des centaines de milliers de nanofibres, toutes alignées dans la même direction, selon un angle légèrement décalé par rapport à la couche située juste au-dessus et au-dessous.

L’alignement précis des nanofibres rend chaque couche extrêmement extensible dans la direction dans laquelle les fibres sont disposées. Guo, dont les travaux portent sur la biomécanique, s’est inspiré des motifs extensibles naturels du homard pour concevoir des tissus artificiels, en particulier pour les régions du corps très extensibles telles que l’épaule et le genou.

Selon Guo, les ingénieurs biomédicaux ont incorporé des cellules musculaires dans d’autres matériaux élastiques, tels que des hydrogels, dans le but de créer des tissus artificiels flexibles. Cependant, alors que les hydrogels sont extensibles et résistants, les cellules incorporées ont tendance à se casser lorsqu’elles sont étirées, comme un papier-mouchoir collé sur un morceau de gomme à mâcher.

«Lorsque vous déformez en grande partie d’un matériau tel que l’hydrogel, il est parfaitement étiré, mais les cellules ne peuvent pas le supporter», explique Guo. «Une cellule vivante est sensible et lorsque vous l’étirez, elle meurt.

En étirant ces bobines ils ont constaté que la majorité des cellules restaient en vie

Les chercheurs ont compris que le seul fait d’étirer un matériau ne suffisait pas pour concevoir un tissu artificiel. Ce matériau doit également être capable de protéger les cellules des contraintes produites lorsque ce matériau est étiré.

L’équipe s’est tournée vers les muscles et les tendons pour trouver leur inspiration, et a constaté que ces tissus étaient constitués de brins de fibres protéiques alignées, enroulés ensemble pour former des hélices microscopiques, le long desquelles se développent les cellules musculaires. Il s’avère que, lorsque les bobines de protéines s’étirent, les cellules musculaires tournent simplement, comme de minuscules morceaux de papier de soie collés sur un papier glissant.

Guo cherchait à reproduire cette structure naturelle, extensible et protectrice des cellules en tant que tissu artificiel. Pour ce faire, 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 extraire des fibres ultra-fines à partir d’une solution de polymère ou d’autres matériaux. Dans ce cas, il a généré des nanofibres 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, puis une bobine encore plus serrée, ressemblant finalement à du fil et mesurant environ un demi-millimètre de large. Enfin, ils ont ensemencé des cellules vivantes le long de chaque enroulement, y compris des cellules musculaires, des cellules souches mésenchymateuses et des cellules cancéreuses du sein.

Les chercheurs ont ensuite étiré à plusieurs reprises chaque bobine jusqu’à six fois sa longueur d’origine et ont constaté que la majorité des cellules de chaque bobine restaient en vie et continuaient de croître à mesure que les bobines étaient étirées. Un fait intéressant, quand ils ont ensemencé des cellules sur des structures en forme de spirale plus souples, fabriquées à partir des mêmes matériaux, ils ont constaté que les cellules avaient moins de chances de rester en vie. Guo dit que la structure des ressorts plus serrés semble « protéger » les cellules des dommages.

l’équipe envisage de fabriquer des bobines à partir d’autres matériaux biocompatibles

À l’avenir, le groupe envisage de fabriquer des bobines similaires à partir d’autres matériaux biocompatibles tels que la soie, qui pourrait éventuellement être injectée dans un tissu lésé. Ces bobines pourraient constituer un échafaudage temporaire flexible pour la croissance de nouvelles cellules. Une fois que les cellules auraient réussi à réparer une blessure, l’échafaudage pourrait se dissoudre.

«Nous pourrons peut-être un jour intégrer ces structures sous la peau, et les bobines finiront par être digéré, tandis que les nouvelles cellules resteront en place», explique Guo. «Ce qui est bien avec cette méthode, c’est qu’elle est très générale et que nous pouvons essayer différents matériaux. Cela peut pousser la limite de l’ingénierie tissulaire beaucoup loin. »

Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

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