Beaucoup plus qu’une simple charnière, le genou humain est un mécanisme complexe, et une blessure au genou est un problème pénible et débilitant qui est difficile et coûteux à réparer. La Duke University développe un matériau cartilagineux à base d’hydrogel qui pourrait faciliter la réparation des genoux. L’hydrogel imprimable en 3D permet aux bio-ingénieurs de créer des « pièces de rechange artificielles » sur mesure pour les genoux blessés qui sont adaptés à l’ancienne partie à la fois en termes de forme et de propriétés mécaniques.

L’impression en 3D a été une aubaine pour les chirurgiens. En utilisant des modèles virtuels des parties du corps d’un patient à partir d’une tomographie par ordinateur ou d’une analyse d’imagerie par résonance magnétique, les chirurgiens peuvent fournir de nouvelles hanches, sections crâniennes et vertèbres de la colonne vertébrale qui correspondent étroitement à l’original. Elle est même utilisée pour produire des modèles détaillés du cœur humain pour les chirurgiens cardiaques afin de planifier des opérations compliquées ou pour fabriquer des implants mécaniques qui correspondent exactement.

Une telle technologie devrait être une aubaine pour réparer les genoux endommagés, mais l’anatomie du genou est très délicate. L’un des composants clés est le ménisque, et c’est cette composante que les chercheurs ont utilisé pour démontrer le potentiel du nouveau matériel. Les ménisques sont des morceaux de cartilage en forme d’oreille qui prennent place à l’intérieur du genou entre le fémur et le tibia. Ils agissent comme des amortisseurs et des paliers lubrifiants qui permettent à l’articulation de se plier et de se déplacer en douceur d’une manière étonnamment subtile et dynamique, et ils peuvent résister à des décennies d’utilisation qui détruiraient un dispositif artificiel.

Cependant, une utilisation difficile ou même une trébuche maladroite peut déchirer les ménisques, ce qui entraîne une blessure chronique douloureuse et le risque accru d’arthrite car, chez les adultes, les ménisques ne peuvent guérir rapidement ou complètement. Cela signifie que les genoux blessés nécessitent souvent une intervention chirurgicale, le retrait du ménisque endommagé ou le remplacement par des implants plastiques. Mais ces implants ne sont jamais la réplique exacte de l’original, ni en force, ni en élasticité. Ils sont souvent non biocompatibles, de sorte que les tissus environnants ne peuvent pas guérir correctement.

L’impression en 3D devrait être une amélioration, mais le ménisque doit correspondre exactement ou il pourrait glisser ou causer de grandes douleurs. En outre, le matériel lui-même doit être adapté pour le travail.

« Un ménisque n’est pas un matériau homogène », déclare l’étudiant diplômé Feichen Yang. « Le milieu est plus rigide, et l’extérieur est un peu plus doux. Les imprimantes 3D multi-matériaux vous permettent d’imprimer différents matériaux dans différentes couches, mais avec un moule traditionnel, vous ne pouvez utiliser qu’un seul matériau ».

Jusqu’à présent, cela ressemble à une approbation pour l’impression en 3D, mais pour imprimer le ménisque, pas vraiment. Un candidat privilégié est l’hydrogel, qui est stable à l’intérieur du corps, biocompatible, et a une structure moléculaire similaire au cartilage avec des molécules à longue chaîne qui se trouvent dans l’eau. Mais il faut trouver un hydrogel qui a les mêmes propriétés que le cartilage et peut être imprimé.

Les hydrogels actuels manquent de force et suintent lorsqu’ils sont soumis à une imprimante 3D en raison de leur teneur élevée en eau, de sorte que les chercheurs de Duke examinent un nouveau matériau à base d’hydrogel qu’ils prétendent être le premier à associer le cartilage humain à la force et à l’élasticité, Il est encore imprimable en 3D. Il a été créé par Feichen Yang, qui a combiné un solide hydrogel avec un qui est souple et élastique. Lorsqu’ils sont mélangés, les chaînes de polymères tissées ensemble forment un nouvel hydrogel solide et élastique. Plus important encore, en modifiant les proportions, ces propriétés pourraient être contrôlées pour différentes parties du ménisque artificiel.

Feichen Yang a ensuite ajouté une argile de nanoparticules à l’hydrogel pour la rendre imprimable. Lorsqu’elles sont soumises à une contrainte de cisaillement, les particules d’argile s’effondrent dans un liquide à écoulement lisse, mais une fois en place après avoir suinté à l’aide d’une aiguille d’impression, elles maintiennent fermement la structure d’hydrogel.

À l’aide d’une imprimante à 300 dollars, Feichen Yang a pu imprimer un ménisque de remplacement avec le nouvel hydrogel en seulement un jour – montrant que ce qui était autrefois un processus de fabrication exceptionnel pourrait bientôt être simple et peu coûteux.

https://today.duke.edu/2017/04/3-d-printable-implants-may-ease-damaged-knees

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsbiomaterials.7b00094