Aux États-Unis, ce sont plus de 790 000 arthroplasties du genou qui sont pratiquées chaque année. C’est une opération particulièrement invasive consistant à remplacer tout ou partie de l’articulation, dont les effets bénéfiques durent généralement une vingtaine d’années ; après quoi, il est nécessaire de remplacer le dispositif à nouveau. L’hydrogel développé par Ben Wiley et ses collaborateurs, de l’Université Duke, permettrait de s’affranchir de cette opération lourde, en remplaçant uniquement le cartilage usé.
L’articulation du genou relie trois os – le fémur, le tibia et la patella (ou rotule) – par le biais de trois articulations, l’articulation fémoro-patellaire et la double articulation fémoro-tibiale. Le cartilage qui entoure l’articulation joue ici un rôle essentiel : il agit comme un film protecteur, chargé d’assurer la fluidité des mouvements ; il protège les os et fait en sorte que les surfaces glissent facilement les unes contre les autres. Il se compose majoritairement d’eau (75 %), puis de fibres de collagène et de cellules appelées chondrocytes.
Le genou fait partie des « articulations portantes », il est très sollicité et de ce fait, il est sujet à bon nombre de pathologies, notamment lorsque l’on prend de l’âge, mais aussi lorsque l’on présente un surpoids ou que l’on pratique une activité physique source de chocs répétés. L’arthrose, provoquée par l’usure du cartilage, est la maladie articulaire la plus fréquente et c’est la cause principale pouvant conduire à la pose d’une prothèse de genou selon la Haute autorité de santé. Plus de 80 000 genoux artificiels sont implantés chaque année en France.
Le chimiste Ben Wiley s’est donc intéressé à la question pour trouver le moyen d’éviter à des dizaines de milliers de personnes de subir des opérations lourdes, au résultat non pérenne : « Nous avons décidé de fabriquer le premier hydrogel possédant les propriétés mécaniques du cartilage ».
À l’instar des autres hydrogels, les principaux ingrédients de ce nouveau matériau sont des polymères absorbant l’eau. Il en contient trois exactement : un premier polymère composé de fils de type « spaghetti », entrelacés avec un autre polymère moins flexible (un double réseau noté PAMPS, pour poly(vinyl alcohol) (PVA)–poly(2‐acrylamido‐2‐methyl‐1‐propanesulfonic acid sodium salt)) ; enfin, un troisième polymère, constitué d’un réseau de nanofibres de cellulose bactérienne, agit comme un maillage qui maintient le tout ensemble.
Comment fonctionne ce gel exactement ? Il contient 60 % d’eau et, lorsqu’il est étiré, ce sont les fibres de cellulose qui agissent : elle fournit une résistance à la traction similaire au collagène du cartilage naturel. Lorsqu’il est compressé, ce sont les polymères composant le PAMPS qui entrent en jeu : les charges négatives des chaînes polymères se repoussent et adhèrent à l’eau, de sorte que la forme d’origine puisse être restaurée. Sur ces deux fonctions majeures que sont l’étirement et l’écrasement, l’hydrogel a affiché des performances supérieures aux matériaux artificiels existants : il a parfaitement résisté à 100.000 tractions répétées, aussi bien que les dispositifs en titane utilisés pour les implants osseux.
Lors de tests où l’hydrogel a été frotté contre du cartilage naturel – près d’un million de fois – il s’est avéré plus résistant que ce dernier (avec un coefficient de friction 45 % inférieur à celui du cartilage), et bien plus durable que les implants de cartilage artificiel approuvés par la FDA utilisés aujourd’hui dans les opérations du gros orteil (4,4 fois plus résistant à l’usure, selon les chercheurs).
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
