Inspiré par le cartilage

L’addition astucieuse de lipides à des hydrogels à base d’eau crée un excellent lubrifiant pour des utilisations biomédicales.

Qu’est-ce qui supporte de fortes pressions et existe à l’état de friction constante, année après année, en ne s’usant presque pas ? La réponse est le cartilage qui habille nos articulations – un merveilleux système qui absorbe les chocs et lubrifie les articulations, permettant aux os de glisser facilement les uns contre les autres. Inspirés par la composition du cartilage, des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont créé un nouveau type d’hydrogel qui réduit dix fois mieux les frictions que les hydrogels connus et qui pourrait avoir de nouvelles applications dans le domaine biomédical.

Microréservoirs : structures en têtes et queues inspirées de celles du cartilage
Microréservoirs : structures en têtes et queues inspirées de celles du cartilage

Depuis deux décennies, l’équipe du Professeur Jacob Klein du département de Science des Matériaux et Chimie Moléculaire mène des recherches sur les propriétés lubrifiantes des couches les plus externes du cartilage de nos articulations. Ils veulent comprendre ce qui le rend si durable et efficace et comment atténuer les effets de son usure normale – l’arthrose par exemple. Cette couche possède un coefficient de friction – un moyen de mesurer quel est l’effort nécessaire pour faire glisser un matériau sur un autre – plus faible que tous les matériaux fabriqués par l’homme. Les effets lubrifiants découverts par les chercheurs sont basés sur des lipides – les mêmes molécules graisseuses que celles qui composent les cellules et autres membranes du corps humain. Ces molécules possèdent une tête et une queue : la queue est hydrophobe (elle « n’aime pas » l’eau) et la tête est hydrophile (elle « aime » l’eau). Quand ces molécules sont orientées avec leur tête vers l’extérieur, la surface du cartilage est hydratée. Les propriétés chimiques et électriques de cette couche la lient étroitement à la surface du cartilage, le rendant résistant à la pression tout en le maintenant correctement lubrifié. Cette fine couche de fluide réduit les frictions et permet aux os autour de ces articulations de glisser, pivoter et tourner pendant des années et des années.

de gauche à droite) Docteur Weifeng Lin, professeur Jacob Klein, docteur Ronit Goldberg, docteur Nir Kampf, docteur Monika Kluzek et docteur Eyal Shimoni
(de gauche à droite) Docteur Weifeng Lin, professeur Jacob Klein, docteur Ronit Goldberg, docteur Nir Kampf, docteur Monika Kluzek et docteur Eyal Shimoni

Ces nouveaux gels étaient 100 fois plus efficaces pour réduire la friction et l’usure que les hydrogels classiques. Et ceci a été vérifié par l’équipe avec différentes vitesses de friction ou différents matériaux de contact – par exemple du métal ou du verre. L’équipe a également découvert que si les gels séchaient, ils pouvaient être réhydratés sans endommager leurs capacités de lubrification – une propriété qui leur alloue une longue durée de vie et qui suggère de nouvelles utilisations innovantes.

Bientôt sortis du laboratoire

Les hydrogels sont principalement de l’eau avec de très petites quantités d’additifs. Ils peuvent donc être utilisés sans danger au contact des tissus mous du corps humain ce qui a rendu leur usage très répandu dans l’industrie biomédicale. Ils sont par exemple communément utilisés dans les lentilles de contact. Un nouveau gel avec de meilleurs propriétés lubrifiantes pourrait être utilisé lors de l’insertion des stents ou dans l’ingénierie tissulaire. Il pourrait aussi permettre le développement d’articulations artificielles qui résisteraient mieux à l’usure ; ainsi, les prothèses articulaires dureraient plus longtemps et provoqueraient moins de problèmes que celles utilisées aujourd’hui. Afin de développer ces différentes applications, une startup appelée Liposphere a été créée en 2019 sous licence de Yeda Research and Development, la branche du transfert technologique de l’Institut Weizmann des Sciences. Ses fondateurs sont le docteur Ronit Goldberg (le PDG) et le docteur Sabrina Jahn (une ancienne postdoctorante de l’équipe du professeur Klein). En 2020, Nature et Merck ont nommé Liposphere « l’une des 44 entreprises mondiales les plus excitantes basées sur la science issues du monde académique ».

Des gels avec de meilleures propriétés lubrifiantes pourraient être appliqués lors de l’insertion de stents ou utilisés dans l’ingénierie tissulaire
Des gels avec de meilleures propriétés lubrifiantes pourraient être appliqués lors de l’insertion de stents ou utilisés dans l’ingénierie tissulaire

Les recherches du professeur Jacob Klein sont financées par les fondations Edmond de Rothschild, la fondation McCutchen, Sonia T. Marschak, la famille Harold Perlman et le conseil européen pour la recherche. Le professeur Klein est détenteur de la chaire professorale Herman Mark en physique de la matière molle.