Inspiré par la nature, recherche sur le développement d’un nouveau matériau porteur


Inspiré par la nature, recherche sur le développement d'un nouveau matériau porteur

L’interface entre l’hydrogel (côté gauche) et le PDMS (côté droit). Les photos ont été prises avec un grossissement de 100 000 fois. Crédit photo: Université de Leeds

Les ingénieurs ont développé un nouveau matériau qui imite le cartilage humain – le système d’absorption des chocs et de lubrification du corps – et pourrait annoncer le d’une nouvelle génération de roulements légers.

Le cartilage est un tissu doux et fibreux qui se trouve autour des articulations et offre une protection contre les charges de pression qui proviennent de la marche, de la course ou du levage. Il fournit également une couche de frottis protectrice qui permet aux os de se superposer. Depuis des années, les scientifiques tentent de créer un matériau synthétique ayant les propriétés du cartilage.

Jusqu’à présent, ils ont eu des résultats mitigés.

Mais publié dans un article du magazine Matériaux polymères appliquésDes chercheurs de l’Université de Leeds et de l’Imperial College de Londres ont annoncé qu’ils développaient un matériau qui fonctionne comme le cartilage.

L’équipe de recherche suppose qu’un matériau semblable à du cartilage peut être utilisé de nombreuses façons en technologie.

Le cartilage est un matériau poreux biphasique, c’est-à-dire en phase solide et liquide. Il passe à sa phase liquide en absorbant une substance visqueuse produite dans les articulations appelée liquide synovial. Ce fluide lubrifie non seulement les articulations mais, lorsqu’il est maintenu dans la matrice poreuse du cartilage, fournit un coussin hydroélastique contre les forces de compression.

Parce que le cartilage est poreux, le liquide synovial finit s’écouler et aide à dissiper les forces énergétiques circulant à travers le corps, protégeant les articulations de l’usure et des blessures par impact. À ce stade, le cartilage retourne à sa phase de vente et est prêt à répéter le cycle.

Dr. Siavash Soltanahmadi, chercheur à l’École de génie mécanique de Leeds qui a dirigé la recherche, a déclaré: «Les scientifiques et les ingénieurs ont passé des années à essayer de développer un matériau qui possède les propriétés étonnantes du cartilage. Nous avons maintenant développé un matériau qui est des applications techniques qui imitent certaines des propriétés les plus importantes du cartilage et n’ont pu le faire que parce que nous avons trouvé un moyen d’imiter la façon dont la le fait.

«Il existe de nombreuses utilisations en ingénierie d’un matériau synthétique souple mais capable de supporter de lourdes charges avec une usure minimale, comme dans les roulements. Il existe un potentiel en ingénierie pour un matériau qui se comporte comme du cartilage.

Les tentatives précédentes pour développer un système de cartilage synthétique se sont concentrées sur l’utilisation d’hydrogels, des matériaux qui absorbent l’eau. Les hydrogels sont bons pour réduire le frottement, mais fonctionnent mal sous la de compression.

L’un des problèmes est qu’il faut du temps à l’hydrogel pour retrouver sa forme normale après sa compression.

Les chercheurs ont surmonté ce problème en créant un matériau poreux synthétique à partir d’un hydrogel contenu dans une matrice de polydiméthylsiloxane, ou PDMS – un polymère à base de silicone. La matrice conserve la forme de l’hydrogel.

Dans leurs travaux, les scientifiques rapportent que le comportement porteur de l’hydrogel contenu dans la matrice PDMS était 14 à 19 fois plus élevé que celui de l’hydrogel seul. Le module d’élasticité à l’équilibre du composite était de 452 kPa avec une plage d’allongement de 10% à 30%, proche des valeurs rapportées pour le module cartilagineux testé.

L’hydrogel a également fourni une couche de frottis.

Les scientifiques pensent que les applications futures d’un nouveau matériau basé sur la fonction du cartilage remettraient en question de nombreux systèmes d’ingénierie traditionnels lubrifiés à l’huile.

Dr. Michael Bryant, professeur agrégé au Département de génie mécanique qui a supervisé la recherche, a déclaré; «La capacité d’utiliser l’eau comme lubrifiant puissant a de nombreuses utilisations, de la production d’électricité aux équipements médicaux. Cependant, cela nécessite souvent une approche différente de celle des systèmes d’ingénierie traditionnels, qui utilisent souvent des lubrifiants à base d’huile et des revêtements à surface dure.

« Ce projet nous a aidés à mieux comprendre ces exigences et à développer de nouveaux outils pour répondre à ces besoins. »

Le papier « Fabrication d’hydrogel du cartilage / structures polymère-élastomère enchevêtrées avec des propriétés poroélastiques » a été publié dans la revue Matériaux polymères appliqués.


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Plus d’information:
Siavash Soltanahmadi et al., Fabrication de structures hydrogel / polymère-élastomère enchevêtrées inspirées du cartilage aux propriétés poroélastiques, Matériaux polymères appliqués ACS (2021). DOI: 10.1021 / acsapm.1c00256

Fourni par l’Université de Leeds

Citation: La recherche pour le développement d’un nouveau matériau porteur (2021, 22 avril) s’est inspirée de la nature le 25 avril 2021 sur https://phys.org/news/2021-04-nature-load-bearing-material .html récupéré

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