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Le traitement et la réparation efficaces des cartilages endommagés représentent encore un défi important pour la médecine actuelle. Des chercheurs de l’Université Duke aux États-Unis ont récemment créé un nouveau matériau composite à base d’hydrogel qui correspond à la résistance et à la durabilité du tissu cartilagineux naturel. Ce nouveau développement promet de surmonter les limites des techniques actuelles de réparation du cartilage.

Le cartilage articulaire est un tissu hautement spécialisé qui joue un rôle crucial dans le corps humain. Un cartilage sain permet des mouvements à faible frottement et assure un port de charge et une répartition du poids efficaces dans les articulations du squelette.

Le cartilage – une merveille naturelle

Le cartilage naturel est constitué de cellules chondrocytaires réparties de façon éparse et enchâssées dans la matrice extracellulaire du cartilage. Il est principalement composé d’eau (60-85% en poids), de 15-22% en poids de collagène de type II (l’un des principaux tissus conjonctifs de l’organisme) et de 4-7% en poids de glycosaminoglycanes (longues molécules linéaires de polysaccharides).

Ces trois composants entrelacés fournissent les propriétés uniques du tissu cartilagineux. Avec une épaisseur moyenne de 2,2 mm, le cartilage pénètre partiellement le tissu osseux poreux sous-jacent, recouvrant la surface de l’os et assurant un mouvement à faible frottement dans l’articulation. Dans le même temps, le cartilage est hautement déformable, ce qui facilite la distribution efficace de la charge en augmentant la zone de contact entre les surfaces opposées dans l’ensemble de l’articulation.

Les traumatismes osseux et articulaires ont un impact significatif sur la société moderne

Le tissu cartilagineux est dépourvu de vaisseaux sanguins, ce qui entraîne un mauvais approvisionnement en nutriments et une extraction lente des déchets (reposant sur la diffusion à travers la matrice cartilagineuse) et la réduction de l’activité métabolique des chondrocytes. Cela limite l’autorégénération et la réparation intrinsèque.

En dehors de l’usure normale du cartilage après des décennies d’utilisation constante, les blessures osseuses et articulaires liées aux activités sportives et aux accidents de la route contribuent de manière significative à la demande de traitement et de produits de réparation du cartilage à travers le monde, avec plus de 600 000 chirurgies de remplacement de l’articulation du genou effectuées aux États-Unis chaque année, et un marché mondial de la réparation du cartilage évalué à 4.80 milliards de dollars en 2018.

À l’heure actuelle, les traitements les plus courants des tissus cartilagineux endommagés n’apportent qu’un soulagement symptomatique à court terme (en retirant des morceaux détachés de cartilage endommagé ou en transplantant du cartilage de donneur) ou nécessitent le remplacement de l’articulation endommagée par une articulation artificielle. Toutes ces méthodes présentent généralement des taux d’échec élevés (25 à 50 % après 10 ans) et nécessitent des temps de réhabilitation longs (12 mois ou plus).

Les limites des stratégies actuelles de réparation et de régénération du cartilage ont suscité d’intenses efforts de R&D biomédicale de la part de groupes de recherche universitaires et industriels visant à développer des matériaux de remplacement aux propriétés biomécaniques similaires au cartilage naturel.

Des matériaux intelligents peuvent aider à réparer le cartilage endommagé

Plusieurs matériaux d’ingénierie biocompatibles et non dégradables, tels que les alliages cobalt-chrome, les céramiques et le polyéthylène de poids moléculaire ultra-élevé, sont actuellement utilisés pour remplacer le cartilage ou les articulations entières. Cependant, ces matériaux possèdent des propriétés mécaniques sensiblement différentes de celles du cartilage naturel et ont souvent des effets néfastes sur la structure osseuse environnante.

Depuis les années 1970, les hydrogels (réseaux hautement hydratés de polymères hydrophiles réticulés) ont attiré l’attention des scientifiques comme matériaux de substitution du cartilage en raison de leur biocompatibilité, de leur teneur élevée en eau et de leur faible perméabilité, ce qui se traduit par une capacité de lubrification exceptionnelle et une faible adsorption des protéines.

Les principaux inconvénients de ces matériaux sont le manque de résistance à la rupture et un module élastique insuffisant qui est nécessaire pour supporter la charge attendue dans l’articulation.

Un groupe de recherche de l’Université Duke, dirigé par les professeurs Benjamin Wiley et Ken Gall, a créé un nouveau matériau composite à base d’hydrogel qui imite les propriétés physiques et le comportement du tissu cartilagineux naturel.

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Doux et solide comme le cartilage naturel

Le cartilage naturel inspire la structure du nouveau composite. L’hydrogel se compose d’un réseau de nanofibres de cellulose bactérienne (BC) incorporé dans un hydrogel à double réseau constitué de poly(alcool vinylique) (PVA) réticulé et de sel de sodium de l’acide poly(2-acrylamido-2-méthyl-1-propanesulfonique) (PAMPS).

Les trois réseaux interpénétrés fonctionnent ensemble pour fournir les propriétés biomécaniques du matériau. Le réseau BC contribue à la résistance à la traction (de manière analogue au collagène dans le cartilage), tandis que les réseaux PVA et PAMPS assurent la rétention de l’eau nécessaire (59 % en poids) et fournissent une dissipation d’énergie viscoélastique, une force de rappel élastique (analogue au réseau de glycosaminoglycanes dans le cartilage) et une distribution uniforme des contraintes à travers le réseau BC.

Hydrogel composite aux propriétés biomécaniques supérieures

Décrivant leurs recherches dans la revue Advanced Functional Materials, le professeur Wiley et ses collègues affirment que le nouvel hydrogel biomimétique est le premier matériau d’ingénierie qui correspond à la résistance et au module du cartilage naturel en tension et en compression.

Les tests mécaniques ont démontré que, sous compression, le nouvel hydrogel composite a un module élastique similaire à celui du cartilage et présente la même réponse mécanique en fonction du temps. Sous une contrainte de compression de 1,43 MPa, le nouveau matériau a présenté une déformation inférieure à 5 %. Pour mettre cela en contexte, la contrainte de compression dans l’articulation du genou d’un humain marchant de 90 kilogrammes est d’environ 2,5 MPa.

Alternative durable aux matériaux traditionnels de remplacement du cartilage

Dans le même temps, le coefficient de friction du matériau est 45% inférieur à celui du cartilage et présente une résistance à l’usure 4.4 fois plus de résistance à l’usure que les hydrogels uniquement à base de PVA (actuellement utilisés pour le remplacement du cartilage), présentant une résistance à la fatigue après 100 000 cycles de charge équivalente à celle du cartilage naturel.

En savoir plus sur les équipements de caractérisation des matériaux

La biocompatibilité des trois constituants du composite d’hydrogel a déjà été démontrée et les premiers tests de compatibilité suggèrent que le matériau n’est pas toxique pour les cellules cultivées en laboratoire.

Étapes vers des applications dans le monde réel

Pour la prochaine étape, l’équipe de recherche vise à concevoir un implant adapté aux tests in vivo sur des animaux. Ils envisagent que d’ici trois ans, le nouveau matériau de remplacement du cartilage sera utilisé dans des thérapies commerciales comme une meilleure alternative aux traitements traditionnels de réparation du cartilage ou aux chirurgies de remplacement du genou.

Références et lectures complémentaires

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Citations

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