Le cartilage du genou fabriqué en laboratoire bat la vraie chose

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Un nouveau cartilage du genou fabriqué en laboratoire 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. (Le crédit: Daniel Thiele/Unsplash)

Selon une nouvelle étude, un nouveau substitut de cartilage du genou à base de gel est plus solide et plus durable que le vrai.

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 des 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, le nouveau cartilage pourrait bientôt aider les patients à se remettre sur pied rapidement, sans douleur et à le rester.

Tel que rapporté dans le journal Matériaux fonctionnels avancés, des tests mécaniques révèlent que l'hydrogel, 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", déclare Benjamin Wiley, professeur de chimie à l'Université Duke qui a dirigé la recherche avec Ken Gall, professeur de génie mécanique et de science des matériaux.

Cartilage naturel du genou

Pour fabriquer ce matériau, l'équipe 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, dit Wiley, ils donnent de la force au gel lorsqu'ils sont étirés. 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 8,500 à 26 66 livres par pouce de tiraillement et d'écrasement avant d'atteindre son point de rupture. La version fabriquée en laboratoire est le premier hydrogel qui peut en supporter encore plus. Il est XNUMX % plus résistant que le cartilage naturel en tension, quelque chose comme suspendre sept pianos à queue à un porte-clés, et XNUMX % plus fort en compression, ce qui reviendrait à garer une voiture sur un timbre-poste.


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"C'est vraiment hors du commun en termes de résistance de l'hydrogel", déclare Wiley.

L'équipe a déjà réalisé des hydrogels aux propriétés remarquables. En 2020, ils ont rapporté avoir créé le premier hydrogel assez fort pour les genoux, qui ressentent la force de deux à trois fois le poids du corps 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 XNUMX 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 », dit Wiley.

Les implants du genou ne durent pas éternellement

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 à un titane base. 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", explique Wiley.

"Un changement radical de traitement"

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, dit Wiley.

Aux États-Unis, l'arthrose est deux fois plus fréquent 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, dit 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", déclare Wiley.

Sparta Biomedical et le Shared Materials Instrumentation Facility de l'Université Duke ont financé les travaux. Wiley et Gall sont actionnaires de Sparta Biomedical.

La source: Duke University


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