Inspirés par la croissance des os dans le squelette, des chercheurs des universités de Linköping en Suède et d’Okayama au Japon ont développé une combinaison de matériaux qui peuvent se transformer en différentes formes avant de durcir. Le matériau est initialement mou, mais durcit plus tard grâce à un processus de développement osseux qui utilise les mêmes matériaux que ceux trouvés dans le squelette.
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Lorsque nous naissons, nous avons des trous dans notre crâne qui sont recouverts de morceaux de tissu conjonctif mou appelés fontanelles. C’est grâce aux fontanelles que nos crânes peuvent se déformer lors de l’accouchement et passer avec succès dans le canal génital. Après la naissance, le tissu de la fontanelle se transforme progressivement en os dur. Maintenant, les chercheurs ont combiné des matériaux qui, ensemble, ressemblent à ce processus naturel.
« Nous voulons l’utiliser pour des applications où les matériaux doivent avoir des propriétés différentes à différents moments. Tout d’abord, le matériau est doux et flexible, et il est ensuite verrouillé en place lorsqu’il durcit. Ce matériau pourrait être utilisé, par exemple, dans des fractures osseuses compliquées. Il pourrait également être utilisé dans des microrobots – ces microrobots mous pourraient être injectés dans le corps à travers une fine seringue, puis ils se déploieraient et développeraient leurs propres os rigides », explique Edwin Jager, professeur agrégé au Département de physique, chimie et biologie. (IFM) à l’Université de Linköping.
L’idée est née lors d’une visite de recherche au Japon lorsque le scientifique des matériaux Edwin Jager a rencontré Hiroshi Kamioka et Emilio Hara, qui mènent des recherches sur les os. Les chercheurs japonais avaient découvert une sorte de biomolécule capable de stimuler la croissance osseuse en peu de temps. Serait-il possible de combiner cette biomolécule avec les recherches sur les matériaux de Jager, pour développer de nouveaux matériaux à rigidité variable ?
Dans l’étude qui a suivi, publiée dans Advanced Materials, les chercheurs ont construit une sorte de « microrobot » simple, capable de prendre différentes formes et de changer de rigidité. Les chercheurs ont commencé avec un matériau en gel appelé alginate. D’un côté du gel, un matériau polymère est développé. Ce matériau est électroactif et il change de volume lorsqu’une basse tension est appliquée, ce qui fait plier le microrobot dans une direction spécifiée.
De l’autre côté du gel, les chercheurs ont attaché des biomolécules qui permettent au matériau de gel mou de durcir. Ces biomolécules sont extraites de la membrane cellulaire d’un type de cellule important pour le développement osseux. Lorsque le matériau est immergé dans un milieu de culture cellulaire – un environnement qui ressemble au corps et contient du calcium et du phosphore – les biomolécules font que le gel se minéralise et se durcit comme de l’os.
Une application potentielle d’intérêt pour les chercheurs est la cicatrisation osseuse. L’idée est que le matériau souple, alimenté par le polymère électroactif, sera capable de se manœuvrer dans les espaces des fractures osseuses compliquées et de se dilater. Lorsque le matériau a ensuite durci, il peut constituer la base de la construction d’un nouvel os. Dans leur étude, les chercheurs démontrent que le matériau peut s’enrouler autour des os de poulet et que l’os artificiel qui se développe ensuite grandit avec l’os de poulet.
En créant des motifs dans le gel, les chercheurs peuvent déterminer comment le microrobot simple se pliera lorsqu’une tension est appliquée. Les lignes perpendiculaires à la surface du matériau font plier le robot en demi-cercle, tandis que les lignes diagonales le font plier comme un tire-bouchon.
«En contrôlant la façon dont le matériau tourne, nous pouvons faire bouger le microrobot de différentes manières et également affecter la façon dont le matériau se déploie dans les os brisés. Nous pouvons intégrer ces mouvements dans la structure du matériau, ce qui rend superflus les programmes complexes de pilotage de ces robots », explique Edwin Jager.
Afin d’en savoir plus sur la biocompatibilité de cette combinaison de matériaux, les chercheurs approfondissent maintenant la façon dont ses propriétés interagissent avec les cellules vivantes.
La recherche a été réalisée avec le soutien financier d’organisations telles que le programme de bourses Bridge de la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS) et KAKENHI, le Conseil suédois de la recherche, Promobilia et STINT (Fondation suédoise pour la coopération internationale dans la recherche et l’enseignement supérieur).
Écrit par Karin Söderlund Leifler, Traduction par Benjamin Davies
Article: Actionneurs souples biohybrides à rigidité variable qui auto-créent de l’osDanfeng Cao, Jose G. Martinez, Emilio Satoshi Hara et Edwin Jager, (2021), Advanced Materials, publié le 17 janvier 2022, https://doi.org/10.1002/adma.202107345
La source: Université de Linköping
