Utilisant la croissance des os du squelette humain comme source d’inspiration, des chercheurs de l’Université de Linköping en Suède et de l’Université d’Okayama au Japon ont développé une combinaison de matériaux qui prennent diverses formes jusqu’à ce qu’ils se raidissent. Initialement mous, les éléments durcissent grâce à un processus qui utilise des matériaux similaires à ceux que l’on trouve dans nos os.
Des matériaux similaires à ceux trouvés dans le squelette humain ont été utilisés pour créer un microrobot souple adaptable qui se raidit plus tard. La technique peut être utile pour la récupération d’une fracture osseuse. Image: Danfeng Cao, José Martinez, Emilio Satoshi Hara et Edwin WH Jager
Selon les scientifiques, 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 être pratiquement écrasés en passant par le canal génital lors d’un accouchement naturel. Après la naissance, les fontanelles deviennent progressivement des os durs.
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. Premièrement, le matériau est souple et flexible, puis il est fixé en place lorsqu’il durcit », explique Edwin Jager, professeur associé au Département de physique, chimie et biologie (IFM) de l’Université de Linköping.
Selon Jager, ce matériau pourrait être utilisé, par exemple, dans les fractures osseuses compliquées. “Il pourrait également être utilisé dans des microrobots – ces robots mous pourraient être injectés dans le corps à l’aide d’une fine seringue, puis ils se déploieraient et développeraient leurs propres os durs.”
Les os du crâne humain sont flexibles au point d’être écrasés lors du passage dans le canal de naissance. Ensuite, ils durcissent et deviennent durs. Image : KieferPix – Shutterstock
Un robot microscopique peut être utilisé pour réparer les fractures osseuses
L’idée est venue lors d’une visite de recherche au Japon, lorsque Jager a rencontré Hiroshi Kamioka et Emilio Hara, des universitaires qui mènent des recherches sur les os. Des chercheurs japonais ont découvert une sorte de biomolécule qui pourrait stimuler la croissance osseuse en peu de temps. En combinant cette biomolécule avec la recherche sur les matériaux de Jager, ils ont découvert qu’ils pouvaient développer de nouveaux matériaux avec une rigidité variable.
Dans l’étude qui suivit, publiée dans Matériaux avancés, les chercheurs ont construit une sorte de « microrobot » simple qui peut prendre différentes formes et 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 change de volume lorsqu’une basse tension est appliquée, ce qui fait plier le robot dans une direction spécifiée.
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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 cellulaire 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 provoquent la minéralisation et le durcissement du gel comme de l’os.
Une application possible qui intéresse les chercheurs est la cicatrisation osseuse. L’idée est que le matériau souple, alimenté par le polymère électroactif, pourra manœuvrer dans des espaces de fractures osseuses compliquées et se dilater. Lorsque le matériau durcit, il peut constituer la base de la construction de nouveaux 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 plus tard grandit avec l’os de l’animal.
En établissant des motifs sur 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 rotation du matériau, nous pouvons faire bouger le microrobot de différentes manières et également affecter la façon dont le matériau se déroule dans les os brisés. Nous pouvons intégrer ces mouvements dans la structure du matériau, ce qui rend inutiles les programmes complexes pour diriger ces robots », explique Jager.
Pour en savoir plus sur la biocompatibilité de cette combinaison de matériaux, les chercheurs étudient maintenant comment leurs propriétés interagissent avec les cellules vivantes.
