Analgésiques en vente libre, physiothérapie, injections de stéroïdes – certaines personnes ont tout essayé et souffrent toujours de douleurs au genou.
Souvent, la douleur au genou provient de l’usure progressive du cartilage connue sous le nom d’arthrose, qui touche près d’un adulte sur six, soit 867 millions de personnes, dans le monde. Pour ceux qui veulent éviter de remplacer toute l’articulation du genou, il pourrait bientôt y avoir une autre option qui pourrait aider les patients à se remettre sur pied rapidement, sans douleur et à le rester.
Ecrire dans le journal Matériaux fonctionnels avancésune équipe dirigée par l’Université Duke affirme avoir créé le premier substitut de cartilage à base de gel qui est encore plus solide et plus durable que le vrai.
Les tests mécaniques révèlent que l’hydrogel de l’équipe Duke, un matériau composé de polymères absorbant l’eau, peut être pressé et tiré avec plus de force que le cartilage naturel et qu’il est trois fois plus résistant à l’usure.
Des implants fabriqués à partir de ce matériau sont actuellement développés par Sparta Biomedical et testés sur des moutons. Les chercheurs se préparent à commencer les essais cliniques chez l’homme l’année prochaine.
« Si tout se passe comme prévu, l’essai clinique devrait commencer dès avril 2023 », a déclaré le professeur de chimie de Duke, Benjamin Wiley, qui a dirigé la recherche avec le professeur de génie mécanique et de science des matériaux de Duke, Ken Gall.
Pour fabriquer ce matériau, l’équipe de Duke a pris de fines feuilles de fibres de cellulose et les a infusées avec un polymère appelé alcool polyvinylique – une pâte visqueuse constituée de chaînes filandreuses de molécules répétitives – pour former un gel.
Les fibres de cellulose agissent comme les fibres de collagène dans le cartilage naturel, a déclaré Wiley – elles donnent au gel de la force lorsqu’elles sont étirées. L’alcool polyvinylique l’aide à retrouver sa forme d’origine. Le résultat est un matériau de type Jello, 60 % d’eau, qui est souple mais étonnamment résistant.
Le cartilage naturel peut supporter respectivement 5 800 à 8 500 livres par pouce de tiraillement et d’écrasement avant d’atteindre son point de rupture. Leur version fabriquée en laboratoire est le premier hydrogel qui peut en supporter encore plus. Il est 26 % plus résistant que le cartilage naturel en tension, quelque chose comme suspendre sept pianos à queue à un porte-clés, et 66 % plus fort en compression, ce qui reviendrait à garer une voiture sur un timbre-poste.
« C’est vraiment hors du commun en termes de force d’hydrogel », a déclaré Wiley.
L’équipe a déjà réalisé des hydrogels aux propriétés remarquables. En 2020, ils ont rapporté qu’ils avaient créé le premier hydrogel suffisamment solide pour les genoux, qui ressentent la force de deux à trois fois le poids corporel à chaque pas.
Cependant, l’utilisation pratique du gel comme remplacement du cartilage a présenté des défis de conception supplémentaires. L’un était d’atteindre les limites supérieures de la force du cartilage. Des activités comme sauter, se précipiter ou monter des escaliers exercent une pression de 10 mégapascals sur le cartilage du genou, soit environ 1 400 livres par pouce carré. Mais le tissu peut en prendre jusqu’à quatre fois avant de se casser.
« Nous savions qu’il y avait place à l’amélioration », a déclaré Wiley.
Dans le passé, les chercheurs qui tentaient de créer des hydrogels plus solides utilisaient un processus de congélation-décongélation pour produire des cristaux à l’intérieur du gel, qui chassent l’eau et aident à maintenir les chaînes polymères ensemble. Dans la nouvelle étude, au lieu de congeler et de décongeler l’hydrogel, les chercheurs ont utilisé un traitement thermique appelé recuit pour amener encore plus de cristaux à se former dans le réseau polymère.
En augmentant la teneur en cristaux, les chercheurs ont pu produire un gel qui peut résister à cinq fois plus de contraintes de traction et près de deux fois plus de compression par rapport aux méthodes de congélation-décongélation.
La résistance améliorée du gel recuit a également aidé à résoudre un deuxième défi de conception : le fixer au joint et le faire rester en place.
Le cartilage forme une fine couche qui recouvre les extrémités des os afin qu’ils ne se frottent pas les uns contre les autres. Des études antérieures n’ont pas été en mesure de fixer les hydrogels directement à l’os ou au cartilage avec une force suffisante pour les empêcher de se détacher ou de glisser. L’équipe de Duke a donc proposé une approche différente.
Leur méthode de fixation consiste à cimenter et à serrer l’hydrogel sur une base en titane. Celui-ci est ensuite pressé et ancré dans un trou où se trouvait le cartilage endommagé. Les tests montrent que la conception reste fixée 68% plus fermement que le cartilage naturel sur l’os.
« Une autre préoccupation pour les implants du genou est l’usure au fil du temps, à la fois de l’implant lui-même et du cartilage opposé », a déclaré Wiley.
D’autres chercheurs ont essayé de remplacer le cartilage endommagé par des implants de genou en métal ou en polyéthylène, mais comme ces matériaux sont plus rigides que le cartilage, ils peuvent frotter contre d’autres parties du genou.
Lors de tests d’usure, les chercheurs ont pris du cartilage artificiel et du cartilage naturel et les ont fait tourner l’un contre l’autre un million de fois, avec une pression similaire à celle que subit le genou pendant la marche. En utilisant une technique de balayage à rayons X à haute résolution appelée micro-tomographie (micro-CT), les scientifiques ont découvert que la surface de leur version fabriquée en laboratoire tenait trois fois mieux que la vraie chose. Pourtant, parce que l’hydrogel imite la nature lisse, glissante et coussinée du vrai cartilage, il protège les autres surfaces articulaires du frottement lorsqu’elles glissent contre l’implant.
Le cartilage naturel est une substance remarquablement durable. Mais une fois endommagé, il a une capacité limitée à guérir car il n’a pas de vaisseaux sanguins, a déclaré Wiley.
Aux États-Unis, l’arthrose est deux fois plus courant aujourd’hui qu’il y a un siècle. La chirurgie est une option lorsque les traitements conservateurs échouent. Au fil des décennies, les chirurgiens ont développé un certain nombre d’approches peu invasives, telles que l’élimination du cartilage lâche, ou la réalisation de trous pour stimuler une nouvelle croissance, ou la transplantation de cartilage sain d’un donneur. Mais toutes ces méthodes nécessitent des mois de rééducation, et un certain pourcentage d’entre elles échouent avec le temps.
Généralement considérée comme un dernier recours, l’arthroplastie totale du genou est un moyen éprouvé de soulager la douleur. Mais les articulations artificielles ne durent pas éternellement non plus. En particulier pour les patients plus jeunes qui souhaitent éviter une intervention chirurgicale majeure pour un appareil qui n’aura qu’à être remplacé à nouveau plus tard, a déclaré Wiley, « il n’y a tout simplement pas de très bonnes options là-bas ».
« Je pense que ce sera un changement radical dans le traitement des personnes à ce stade », a déclaré Wiley.
Jiacheng Zhao et al, Un composite d’hydrogel synthétique avec une force et une résistance à l’usure supérieures au cartilage, Matériaux fonctionnels avancés (2022). DOI : 10.1002/adfm.202205662