Les tissus biologiques ont évolué au cours des millénaires pour être parfaitement optimisés pour leurs fonctions spécifiques. Prenons l'exemple du cartilage. C'est un tissu élastique conforme, suffisamment doux pour amortir les articulations, mais suffisamment résistant pour résister à la compression et résister à la forte charge de notre corps: la clé pour courir, sauter et notre usure quotidienne.
Créer des remplacements synthétiques qui correspondent vraiment aux propriétés et aux comportements des tissus biologiques n'a pas été facile. Mais les scientifiques de l'Université du Colorado à Denver, dirigés par le professeur d'ingénierie mécanique Chris Yakacki, Ph.D., sont les premiers à imprimer en 3D une structure de réseau poreuse complexe en utilisant des élastomères à cristaux liquides (LCE) créant des dispositifs qui peuvent enfin imiter le cartilage et d'autres tissus biologiques .
L'équipe de CU Denver, dont le professeur Kai Yu, Ph.D., le boursier postdoctoral Devesh Mistry, Ph.D., et le doctorant Nicholas Traugutt, ainsi que des scientifiques de la Southern University of Science and Technology en Chine, ont rendu compte de ses conclusions semaine dans le journal Matériaux avancés.
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Révolution dans la fabrication des LCE
Yakacki, qui travaille au laboratoire Smart Materials and Biomechanics (SMAB) de CU Denver, a commencé à travailler avec les LCE en 2012. Les matériaux souples et multifonctionnels sont connus pour leur élasticité et leur capacité extraordinaire à dissiper les hautes énergies. En 2018, Yakacki a reçu un prix NSF CAREER pour révolutionner la fabrication des LCE et plusieurs levées de fonds pour les développer en tant qu'amortisseurs de casques de football. Même alors, il savait que ses applications pourraient aller plus loin.
Tout le monde a entendu parler des cristaux liquides parce que vous les regardez sur l'écran de votre téléphone. Et vous avez probablement entendu parler des polymères à cristaux liquides, car c'est exactement ce qu'est le Kevlar. Notre défi était de les intégrer dans des polymères mous, comme les élastomères, pour les utiliser comme amortisseurs. C'est à ce moment que vous descendez les couches de complexité. «
Chris Yakacki, Ph.D., professeur d'ingénierie mécanique, Université du Colorado Denver
Les LCE sont difficiles à manipuler. Jusqu'à présent, la plupart des chercheurs pouvaient créer de gros objets avec un minimum de détails ou des détails élevés dans des structures pratiquement microscopiques. Mais comme pour les écrans de téléphone, les gros appareils à haute résolution sont l'avenir. Yakacki et les processus chimiques et d'impression de son équipe ont réduit la difficulté à près de zéro.
Briller la lumière sur une résine semblable au miel
Pour leur étude, Yakacki et son équipe ont exploré un processus d'impression 3D appelé traitement numérique de la lumière (DLP). L'équipe a développé une résine LC semblable à du miel qui, lorsqu'elle est frappée par la lumière ultraviolette, durcit – formant de nouvelles liaisons dans une succession de couches minces de photopolymère. La résine durcie finale forme un élastomère doux, résistant et conforme. Lorsqu'il est imprimé dans des structures en treillis – des niveaux de motifs semblables à ceux d'un nid d'abeille – c'est à ce moment qu'il a commencé à imiter le cartilage.
Le groupe a imprimé plusieurs structures, y compris une petite fleur de lotus détaillée et un prototype de cage de fusion vertébrale, créant le plus grand dispositif LCE avec le plus de détails. La combinaison de la résine et du processus d'impression a également conduit à une dépendance à la vitesse 12 fois plus élevée et à une dissipation d'énergie de déformation jusqu'à 27 fois supérieure à celles imprimées à partir d'une résine élastomère photodurcissable disponible dans le commerce.
Des casques de football à la colonne vertébrale
À l'avenir, les structures ont plusieurs applications, comme la mousse de casque de football absorbant les chocs ou même les petits implants biomédicaux pour les orteils. Yakacki est très enthousiasmé par ses possibilités dans la colonne vertébrale.
Prototype de cage vertébrale LCE
« La colonne vertébrale est pleine de défis et c'est un problème difficile à résoudre », a déclaré Yakacki. « Les gens ont essayé de fabriquer des disques synthétiques pour les tissus de la colonne vertébrale et ils n'ont pas fait du bon travail. Avec l'impression 3D et la haute résolution que nous en avons obtenue, vous pouvez faire correspondre exactement l'anatomie d'une personne. Un jour, nous serons peut-être capable de faire croître des cellules pour fixer la colonne vertébrale, mais pour l'instant, nous pouvons faire un pas en avant avec la prochaine génération de matériaux. C'est là que nous aimerions aller. «
La source:
Université du Colorado Denver
