Image au microscope du matériau, montrant des cellules naturelles de formation de collagène (en rouge) qui pourraient se reproduire à l’intérieur des fibres de collagène interconnectées (en or).

Lorsque le cartilage d’une articulation, comme le genou, est endommagé, il est très lent à guérir, si tant est qu’il guérisse. Un nouveau matériau biohybride expérimental pourrait toutefois le remplacer un jour, et pourrait même favoriser la croissance d’un nouveau cartilage naturel.

L’un des défis de la conception d’un cartilage artificiel réside dans le fait que, comme son homologue naturel, le matériau doit être suffisamment malléable pour se plier avec l’articulation, mais aussi suffisamment résistant pour supporter les charges qui lui sont constamment imposées.

Dans le passé, des substances composées de polymères naturels tels que le collagène, la fibrine ou l’acide hyaluronique ont été proposées comme matériaux de remplacement, tout comme des substances purement synthétiques. Selon les scientifiques de l’université Cornell, aucune de ces approches n’a réussi à combiner les deux qualités essentielles du véritable cartilage.

Compte tenu de cette limite, les chercheurs ont mis au point un matériau biohybride composé de fibres de collagène naturel en suspension dans un hydrogel synthétique. Ce gel est zwitterionique (1), ce qui signifie que chaque ion qu’il contient est à la fois chargé positivement et négativement.

1) Un zwitterion ou amphion est une espèce chimique moléculaire possédant des charges électriques formelles d’une unité, de signes opposés et situées en général sur des atomes non adjacents. Les acides aminés, qui possèdent des groupements amine et acide carboxylique peuvent exister sous forme zwitterionique

Lorsque l’hydrogel et le collagène sont initialement mélangés, les ions du gel interagissent avec les ions chargés positivement et négativement des fibres de collagène, ce qui entraîne l’auto-assemblage de ces dernières en un réseau interconnecté comme celui du collagène naturel. Le matériau qui en résulte est donc dur et résilient, mais aussi souple et flexible.

Lors de tests en laboratoire, le biohybride s’est avéré « proche des performances » du cartilage articulaire naturel – il était 40 % plus élastique que le gel zwitterionique sans collagène ajouté, et possédait 11 fois plus d’énergie de rupture (qui est une mesure de la durabilité). De plus, comme le nouveau matériau est biocompatible, il peut accueillir des cellules de cartilage adjacentes qui y migrent et s’y reproduisent.

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

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2116675119

https://news.cornell.edu/stories/2022/07/soft-tough-biohybrid-material-performs-cartilage