Le matériau biohybride fonctionne comme le cartilage

Produire des biomatériaux qui correspondent aux performances du cartilage et des tendons a été un objectif insaisissable pour les scientifiques, mais un nouveau matériau créé à Cornell démontre une nouvelle approche prometteuse pour imiter les tissus naturels.

Les résultats ont été publiés le 8 juillet dans le Actes de l’Académie nationale des scienceset fournir une nouvelle stratégie pour synthétiser des solutions cliniques pour les tissus endommagés.

Le tissu doit être suffisamment souple pour se plier et fléchir, mais suffisamment durable pour résister à une charge prolongée, par exemple, le poids qu’un tendon du genou doit supporter. Lorsque les tissus s’usent ou sont endommagés, les hydrogels de collagène et les matériaux synthétiques ont le potentiel de servir de substituts, mais aucun ne possède à lui seul la bonne combinaison de propriétés biologiques et mécaniques des tissus naturels.

Maintenant, les chercheurs de Cornell ont conçu un matériau composite biohybride avec les caractéristiques essentielles d’un tissu naturel. Le matériau se compose de deux ingrédients principaux : le collagène, qui confère au matériau sa douceur et sa biocompatibilité, et un hydrogel zwitterionique synthétique, qui contient des groupes moléculaires chargés positivement et négativement.

« Ces groupes de charge interagissent avec les groupes chargés négativement et positivement dans le collagène, et cette interaction permet aux matériaux de dissiper l’énergie et d’atteindre des niveaux élevés de ténacité », a déclaré Lawrence Bonassar, professeur Daljit S. et Elaine Sarkaria en génie biomédical. au College of Engineering et co-auteur principal de l’étude.

Le composite biohybride se rapproche des performances du cartilage articulaire et d’autres tissus biologiques, possédant 40% d’élasticité en plus et 11 fois l’énergie de fracture – une mesure de durabilité – du matériau zwitterionique seul.

Nikolaos Bouklas, professeur adjoint à la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering et co-auteur principal de l’étude, a déclaré que la biocompatibilité du matériau signifie qu’il peut recruter des cellules et les maintenir en vie.

« En fin de compte, nous voulons créer quelque chose à des fins de médecine régénérative, comme un morceau d’échafaudage qui peut supporter certaines charges initiales jusqu’à ce que le tissu se régénère complètement », a déclaré Bouklas. « Avec ce matériau, vous pouvez imprimer en 3D un échafaudage poreux avec des cellules qui pourraient éventuellement créer le tissu réel autour de l’échafaudage. »

De plus, le matériau biohybride s’auto-assemble une fois que les deux ingrédients sont mélangés, a déclaré Bouklas, créant « le même réseau interconnecté de collagène que celui observé dans le cartilage naturel, qui autrement serait extrêmement difficile à produire ».

La recherche a réuni quatre laboratoires de recherche de trois départements différents. Le collagène utilisé dans le composite biohybride était déjà en cours de développement dans le laboratoire de Bonassar, tandis que l’hydrogel zwitterionique a été développé par les co-auteurs de l’étude, Robert Shepherd, professeur agrégé à la Sibley School, et Emmanuel Giannelis, professeur d’ingénierie Walter R. Read. au Département de science et génie des matériaux.

Les auteurs de l’étude poursuivent leurs recherches sur le matériau et les processus moléculaires derrière sa synthèse. Bonassar a déclaré que le matériau était bien adapté au type de bio-impression lancé dans son laboratoire, et les auteurs ont commencé à expérimenter son utilisation comme matériau d’impression 3D.