L’os rencontre le tendon : des structures imprimées en 3D imitent le lien compact du corps entre les tissus rigides et flexibles
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Crédit : Université de technologie de Delft
La nature a consacré des millions d’années à optimiser la connexion entre l’os et le tendon. Sur une très courte distance, le corps passe d’un os rigide à un tendon flexible tout en conservant sa solidité et sa résistance. Reproduire une transition aussi progressive et robuste s’est avéré un véritable défi pour les ingénieurs.
Pourtant, la capacité à reproduire cette transition pourrait avoir un impact considérable. « Les troubles musculo-squelettiques figurent parmi les principales causes d’invalidité dans le monde », explique le professeur agrégé Mohammad J. Mirzaali, « et l’amélioration des méthodes de connexion entre les tissus durs et mous pourrait contribuer à faire progresser les implants futurs et les stratégies d’ingénierie tissulaire. »
Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications .
L’os et le tendon sont radicalement différents. L’un est dur et rigide, l’autre mou et flexible. Pourtant, dans le corps humain, ils sont reliés par une interface remarquablement solide qui se rompt rarement. Depuis des décennies, les scientifiques s’efforcent de recréer cette transition naturelle. Aujourd’hui, une équipe de l’Université de technologie de Delft (TU Delft) a franchi une étape importante. En proposant de nouvelles stratégies pour combiner deux types de métamatériaux, elle a conçu des structures qui imitent fidèlement l’interface os-tendon. Crédit : Jochem Neerhof
Le défi de la connexion
Les scientifiques se tournent vers les métamatériaux, des matériaux synthétiques dont les propriétés sont déterminées par leur architecture interne plutôt que par leur composition chimique. On distingue deux grandes classes : les métamatériaux en feuilles, constitués de surfaces continues, sont particulièrement adaptés aux structures rigides et à l’intégration de cellules osseuses, tandis que les métamatériaux à entretoises, composés de poutres interconnectées, peuvent mieux imiter les tissus mous.
« Combiner ces deux types de métamatériaux a représenté un véritable défi pour les ingénieurs. Leur connexion directe crée souvent des zones de faiblesse où des ruptures peuvent survenir. Le premier réflexe des ingénieurs est d’effectuer une transition progressive d’une architecture à l’autre, mais cela a pour conséquence d’allonger considérablement la zone de transition et de l’éloigner trop de l’interface compacte os-tendon présente dans la nature », explique le Dr Jianxing Yang, premier auteur de l’étude.
Créer une transition harmonieuse
Pour surmonter cette difficulté, l’équipe de l’Université de technologie de Delft a développé un algorithme qui identifie les réseaux compatibles, qu’ils soient à base de feuilles ou d’entretoises, et détermine la meilleure façon de les assembler. Cette méthode aligne les géométries des deux architectures et introduit une cellule de transition qui partage des caractéristiques des deux. « Au lieu de créer une frontière abrupte, la cellule de transition permet un passage court et progressif d’une structure à l’autre, à l’image de l’interface naturelle os-tendon », explique le Dr Vahid Moosabeiki.
Les chercheurs ont validé leur approche en imprimant en 3D plusieurs prototypes et en les soumettant à des tests mécaniques. Les expériences ont confirmé que les transitions conçues par calcul permettent de créer des liaisons robustes entre les deux familles de métamatériaux.
Un nouveau métamatériau conçu recrée l’interface os-tendon. Crédit : TU Delft I Faculté de génie mécanique
Implants qui orientent la réponse cellulaire
Dans le cadre de recherches complémentaires, l’équipe étudie actuellement la réaction des cellules vivantes à ces structures hybrides. Si les scientifiques ont déjà étudié le comportement cellulaire sur des métamatériaux à base de feuilles et de structures à entretoises séparément, on ignore encore comment les cellules réagissent lorsque les deux architectures sont combinées au sein d’une même structure.
« En cultivant des cellules sur ces structures nouvellement développées, nous espérons comprendre comment la géométrie influence l’adhérence, la croissance et la différenciation cellulaires », explique le professeur Amir A. Zadpoor. À terme, leur objectif est de déterminer si ces transitions architecturales peuvent guider la formation de différents types de tissus, à l’instar de l’interface naturelle os-tendon.
Ces découvertes offrent aux chercheurs de nouveaux outils pour concevoir des transitions entre matériaux rigides et souples. À l’avenir, de telles stratégies pourraient contribuer à la création d’implants et de structures bio-ingénierées qui non seulement reproduisent les propriétés mécaniques du corps, mais participent également à l’orientation de sa réponse biologique.