Membranes auxétiques

Tissu de remplacement paradoxal pour la médecine

3 déc. 2019 | ANDREA SIX

Un matériau qui s'épaissit lorsque l’on tire dessus semble contredire les lois de la physique. Cependant, l'effet dit auxétique, qui se produit également dans la nature, est intéressant pour une variété d'applications. Une nouvelle étude publiée récemment par l'Empa dans la revue "Nature Communications" montre comment ce comportement étonnant des matériaux peut encore être amélioré - et même utilisé pour traiter les blessures et les lésionstissulaires.

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Fibres tendres pour membranes auxétiques: Alexandre Morel, chercheur à l'Empa, remplit la solution de polymère dans le métier à filer électrique.

La nature nous montre comment : Un veau suçant le lait de la mamelle d'une vache mère utilise une propriété physique fascinante de la tétine : il s'agit d'un tissu auxétique. Paradoxalement, ces tissus ne deviennent pas plus étroits lorsqu'ils sont sous tension, comme un élastique, mais plus larges, transversalement à la direction de la traction. Ainsi, le lait de vache peut s'écouler librement dans la tétine lorsque le veau tire dessus. Les chercheurs de l'Empa dans le domaine des matériaux ont également démontré les étonnantes propriétés auxétiques des membranes en nanofibres développées spécialement à cet effet. L'étude publiée dans la revue "Nature Communications" met en évidence un large éventail d'applications pour les matériaux auxétiques. L'une d'entre elles est l'utilisation de membranes pour régénérer les tissus humains après des blessures.

Fils extrêmement délicats
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Après étirement, les membranes auxétiques décuplent d'environ 10 fois leur épais-seur. (Image colorée)

Les lésions cutanées ou les lésions tissulaires des organes internes guérissent, entre autres, par la migration des cellules, la sédimentation et la formation d'un tissu de remplacement sain.  Le processus qui permet de rapidement réparer une petite incision dans le doigt peut, cependant, dépasser les compétences du corps lors de plaies complexes, telles que des brûlures, ou lorsqu’un remplacement volumineux est nécessaire. Cependant, la régénération tissulaire peut être facilitée : Si un échafaudage approprié est fourni, les cellules désirées nichent plus facilement et se développent le long des structures données. Les chercheurs de l'Empa du Laboratoire de biomimétique des membranes et textiles de Saint-Gall ont mis au point de nouveaux systèmes matriciels pour les cellules corporelles présentant des propriétés auxétiques. Les polymères dissous sont filés par électrofilage sous forme de filaments ultrafins sous une forme similaire à celle de la matrice extracellulaire humaine. Cela permet de produire des membranes multicouches à partir de nanofibres biocompatibles et insérables dans le corps humain. "L'utilisation de biopolymères tels que l'acide polylactique dans le processus de filage permet même de dégrader les membranes dans l'organisme", explique Giuseppino Fortunato, chercheur à l'Empa. De plus, des substances messagères et des médicaments peuvent être stockés dans les fibres pour une libération contrôlée et réduite au minimum.

Taille de pore attrayante

Jusqu'à présent, l'un des défis a été de rendre la taille des pores de la membrane filée aussi attrayante que possible pour les cellules corporelles souhaitées. Dans les membranes d'origine, les fils de polymère ne libéraient que de minuscules pores de quelques micromètres. Cependant, une cellule tissulaire qui doit coloniser l'échafaudage est beaucoup trop grande, avec ses 20 micromètres, pour trouver un espace optimal dans la membrane.

La solution a été apportée par l'incroyable réseau de polymères après l'optimisation des paramètres de filage : Lorsque la membrane a été exposée à des forces de traction douces, de sorte qu'elle s'est allongée d'environ 10 %, des choses étonnantes se sont produites : au lieu de s'amincir lors de la traction, le volume du matériau a été multiplié par 5 et l'épaisseur même par 10. "Un effet auxétique de cette ampleur est presque un record mondial", s'enthousiasme Alexander Ehret, chercheur à l'Empa au laboratoire de mécanique des continuums expérimentaux. Alexander Ehret et son équipe avaient d'abord prédit l'effet extraordinaire à l'aide d'une modélisation mécanique et l'avaient simulé sur ordinateur avant d'analyser les échantillons de membrane expérimentalement. "Nous avons effectué les simulations sur ordinateur plusieurs fois parce que les résultats étaient si surprenants ", dit Alexander Ehret. L'effet, qui peut être quantifié mathématiquement par le rapport entre la déformation transversale et la déformation longitudinale - le rapport de Poisson - se traduit par une valeur négative pour les matériaux auxétiques. "Jusqu'à présent, des valeurs d'environ -20 ont été atteintes. Nos résultats étaient bien en deçà de -100 ", affirme l'expert en biomécanique.

Lors des essais de traction, les membranes polymères se sont comportées comme lors des simulations. L'effet s'explique par des fibres qui se réalignent sous tension et exercent une pression sur leurs collègues transversaux dans le réseau. En fonction de leur longueur et de leur épaisseur, les fibres sous pression sont forcées de se plier vers le haut et vers le bas, ce qui entraîne une augmentation du volume.

 

"Expand on demand"

En principe, les membranes électrofilées conviennent au traitement des plaies et des lésions tissulaires dans des endroits aussi divers que la peau, les vaisseaux sanguins, les organes internes ou les lésions osseuses. La sélection appropriée des polymères et l'optimisation des paramètres de filage permettent d'adapter la membrane polymère aux propriétés du tissu cible. "Grâce à l'augmentation du volume due à l'effet auxétique, les structures matricielles sont encore plus attrayantes pour les cellules du corps et pourraient faciliter le processus de guérison ", explique Giuseppino Fortunato.

Outre son utilisation en biomédecine, le concept, pour lequel un brevet a déjà été déposé, peut également être appliqué dans de nombreux autres domaines. Selon les chercheurs, les membranes qui peuvent être activées en tirant et qui libèrent au besoin des particules enfermées, les filtres réglables ou les matériaux de remplissage qui ne peuvent être "tirés" à leur plein volume qu'au point d'utilisation, c'est-à-dire quasi "se dilater sur demande", sont d'autres domaines d'application.

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Dans le microscope électronique, les fibres apparaissent sous la forme de structures "shish kebab". Ils influencent les propriétés mécaniques des membranes et l'effet auxétique. (Image colorée)
La structure des nanofibres

La structure interne des nanofibres individuelles a une influence majeure sur les propriétés des membranes. Si les nanofibres sont traitées avec certains solvants, la structure des nanofibres peut être clarifiée. Alexandre Morel, chercheur à l'Empa, a découvert qu'en fonction des paramètres de filage utilisés, différentes structures fibreuses telles que les phases fibrillaires ou des phases dites ‘’shish kebab’’ apparaissent. Les structures dites ‘’Shish kebab’’ apparaissent dans le microscope électronique sous forme de couches empilées ressemblant à une broche de döner. Ils ont une grande influence sur les propriétés mécaniques des membranes et donc aussi sur l'effet auxétique.


Rédaction / Contact Médias

Dr. Andrea Six
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S Domaschke, A Morel, G Fortunato, AE Ehret; Random auxetics from buckling fibre networks; Nature Communication (2019); doi: 10.1038/s41467-019-12757-7

A Morel, SC Oberle, S Ulrich, G Yazgan, F Spano, SJ Ferguson, G Fortunato, RM Rossi; Revealing non-crystalline polymer superstructures within electrospun fibers through solvent-induced phase rearrangements; Nanoscale (2019); doi: 10.1039/C9NR04432A