Development of a biomimetic hydrogel cervical spinal cord surrogate for transverse compression across loading rates

Imaginez le corps humain comme un véhicule de haute technologie, et la moelle épinière comme son câble de données le plus critique, courant juste au centre du châssis. Ce câble transporte les instructions du cerveau vers le reste du corps et renvoie les informations sensorielles vers le haut. Lorsqu'une voiture a un accident, la structure métallique peut se froisser, mais si ce câble de données est pincé, sectionné ou étiré, le conducteur perd le contrôle de toute la machine. C'est ce qui se passe lors d'une lésion de la moelle épinière. Pendant des décennies, les scientifiques tentant de comprendre comment prévenir ces blessures sont restés coincés dans une boucle frustrante : ils peuvent tester comment les os se cassent et comment les disques s'écrasent, mais ils ne peuvent pas facilement tester ce qui arrive au câble nerveux, mou et spongieux lui-même, sans le détruire. On ne peut pas insérer un minuscule capteur à l'intérieur d'une véritable moelle épinière pendant un crash test parce que le capteur briserait le tissu, et le tissu briserait le capteur. Il leur fallait donc une version « mannequin » de la moelle — un faux parfait qui ressemble, s'écrase et s'étire exactement comme la vraie, mais qui est assez robuste pour survivre à un choc et assez intelligent pour nous dire exactement quelle force il a ressentie.

Entrez dans le monde des hydrogels biomimétiques. Ne les voyez pas comme la gelée que vous mangez lors d'un pique-nique, mais comme des éponges surdimensionnées et ultra-ingéniérées, remplies d'eau, qui agissent comme un tissu mou. Le défi a été de fabriquer un faux cordon qui ne se contente pas de ressembler au vrai, mais qui se comporte comme lui. La véritable moelle épinière est complexe : elle est molle et spongieuse au début, mais si on la comprime fort ou rapidement, elle devient soudainement rigide et résiste, presque comme une éponge qui se transforme en caoutchouc quand on la frappe rapidement. Elle réagit aussi différemment selon la vitesse à laquelle on la pousse. Si vous poussez lentement, c'est doux ; si vous poussez vite (comme lors d'un accident de voiture), elle résiste plus fort. Les scientifiques ont déjà essayé d'utiliser du caoutchouc silicone par le passé, mais c'est comme essayer de simuler une guimauve avec une balle de caoutchouc — c'est trop rigide et cela n'a pas cette réaction spéciale de « l'écrasement puis du durcissement ». Ce document traite de la construction d'un nouveau type de « guimauve » qui combat réellement de la même manière que la véritable moelle épinière, afin que nous puissions enfin construire de meilleurs mannequins de crash test et des outils de formation chirurgicale qui ne font pas que paraître réels, mais qui semblent réels aussi.

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La recette d'une fausse moelle épinière

Les chercheurs de l'Université de Strathclyde et de l'Université d'Adélaïde ont entrepris de concocter un nouveau type de matériau : un hydrogel à double réseau. Imaginez la construction d'une maison. Le premier réseau est comme l'ossature en bois (faite de polyacrylamide), qui donne sa forme à la structure. Le second réseau est comme le plâtre et le revêtement (fait d'alginate, un dérivé d'algues), qui comble les interstices et ajoute de la résistance. En mélangeant ces deux éléments, ils ont créé un matériau assez robuste pour supporter la compression, mais assez souple pour imiter les nerfs délicats de la colonne vertébrale.

Pour trouver la recette parfaite, ils n'ont pas seulement deviné ; ils ont mené une expérience de cuisine massive. Ils ont créé 27 versions différentes de cet hydrogel de cordon. Ils ont ajusté trois ingrédients principaux :

1. La quantité d'algues (alginate) utilisée : Ils ont testé des quantités faibles, moyennes et élevées (4,7 %, 7,8 % et 10,3 % en poids).
2. Le type de « colle » (ions) utilisé pour lier les algues ensemble : Ils ont utilisé trois types différents de sels métalliques : le Calcium (CaCl₂), le Fer (FeCl₃) et l'Aluminium (AlCl₃). Considérez cela comme différentes forces de colle.
3. Le temps de prise de la colle : Ils ont laissé tremper les cordons pendant 1, 2 ou 3 heures.

Le crash test

Une fois qu'ils ont obtenu leurs 27 différents « faux cordons », ils les ont mis à l'épreuve. Ils ne se sont pas contentés de les presser doucement ; ils les ont testés à quatre vitesses différentes, allant d'une pression lente et douce (comme un médecin vérifiant vos réflexes) à un impact extrêmement rapide (comme un os qui se brise lors d'un accident de voiture grave). La vitesse la plus rapide était d'environ 140 fois par seconde, ce qui est incroyablement rapide pour un test de matériau.

Ils ont utilisé une machine spéciale pour écraser ces cordons de forme elliptique par le côté (compression transversale) et ont enregistré précisément la façon dont ils réagissaient. Ils ont comparé leurs résultats à des données provenant de moelle épinière humaine et de porc publiées dans d'autres études.

Ce qu'ils ont découvert

Les résultats étaient un mélange de « nous avons réussi » et de « nous avons appris ce qu'il ne faut pas faire ».

1. La « colle » compte le plus
La plus grande surprise n'était pas la quantité d'algues utilisées, mais le type de colle choisi. Le type d'ion utilisé pour la réticulation du gel a eu un impact massif sur la rigidité.

• La colle de Calcium (CaCl₂) a rendu les cordons mous et spongieux, très similaires aux tissus réels.
• Les colles de Fer (FeCl₃) et d'Aluminium (AlCl₃) ont rendu les cordons incroyablement rigides — environ cinq fois plus rigides que celles au Calcium.
• L'article écarte explicitement l'idée que l'ajout de plus d'algues (concentration d'alginate) soit le principal moyen de contrôler la rigidité. Bien que l'ajout d'algues ait rendu les choses plus rigides, l'effet était « décroissant », ce qui signifie qu'au-delà d'un certain point, en ajouter davantage n'aidait plus beaucoup. Le type de colle était le véritable chef.

2. La réaction en « forme de J »
Chacune de leurs 27 recettes présentait une courbe en « forme de J ». C'est le Saint Graal des matériaux de la moelle épinière. Cela signifie que le matériau est souple au début (le bas du J), mais qu'à mesure qu'on le comprime, il devient progressivement plus rigide (la remontée de la courbe du J). C'est exactement ainsi que se comporte le tissu de la moelle épinière réelle. Si vous poussez lentement, c'est doux ; si vous poussez vite, il devient coriace. Ce comportement dépendant de la vitesse est crucial car cela signifie que le faux cordon réagit à un accident de voiture différemment qu'à une petite pression, tout comme un vrai.

3. Le facteur temps
Ils se sont demandé si laisser tremper les cordons plus longtemps (2 contre 3 heures) changerait les choses. Ils ont découvert que le trempage de 2 heures était pratiquement identique à celui de 3 heures. Il n'est donc pas nécessaire d'attendre indéfiniment ; le matériau se stabilise assez rapidement.

Le vainqueur : La recette au Calcium

Après avoir testé les 27 combinaisons, les chercheurs ont identifié une recette « championne » qui correspond le mieux à la réalité.

• La Recette : Un mélange avec 10,3 % d'alginate, trempé dans du Calcium (CaCl₂) pendant 2 à 3 heures.
• La Correspondance : Testée à une vitesse élevée de 50 s⁻¹ (ce qui est pertinent pour les traumatismes), cette recette spécifique correspondait presque parfaitement à la rigidité de la moelle épinière de porc réelle.
  • Rigidité (Module tangentiel) : Le faux cordon était de 1180 kPa, tandis que la vraie moelle de porc était de 1176 kPa. C'est une correspondance quasi parfaite.
  • Résistance (Contrainte) : Le faux cordon a résisté à une pression de 490 kPa avant de céder, tandis que la vraie moelle tenait 458 kPa.

À des vitesses plus lentes, les gels à base de calcium correspondaient également bien, bien que le tissu réel présente une phase « douce » légèrement plus longue au tout début. Les versions au fer et à l'aluminium étaient simplement trop rigides pour être de bons substituts de la moelle humaine.

Pourquoi cela importe (sans trop promettre)

L'article conclut que ces hydrogels PAAm-alginate sont un nouvel outil prometteur. Ils ne sont pas encore un remède miracle pour les lésions de la moelle épinière, mais ils résolvent un problème spécifique et agaçant : nous avons enfin un matériau qui peut être instrumenté (équipé de capteurs) pour mesurer exactement de combien la moelle épinière est comprimée lors d'un accident ou d'une chirurgie.

Les auteurs suggèrent que cela pourrait mener à deux choses majeures :

1. De meilleurs crash tests : Au lieu de deviner la force subie par une moelle épinière lors d'un accident de voiture, nous pourrions utiliser ces faux cordons instrumentables pour la mesurer directement.
2. Une meilleure formation chirurgicale : Les chirurgiens pourraient s'exercer sur ces gels et obtenir un retour en temps réel s'ils compriment trop fort le « cordon », plutôt que de simplement regarder un écran et deviner.

Cependant, l'article prend soin de noter ce qu'ils n'ont pas encore fait. Ils admettent que leurs faux cordons sont encore un peu trop rigides au tout début (la « zone de transition » ou toe region) par rapport au tissu réel. Ils ont également utilisé une forme ovale simple, et non une forme complexe avec différentes couches comme la véritable colonne vertébrale. Et bien qu'ils correspondent très bien aux données de porc à des vitesses élevées, ils notent qu'il nous faut encore plus de données sur le tissu humain à ces vitesses de crash ultra-rapides pour en être 100 % certains.

En résumé, ils n'ont pas résolu le problème des lésions de la moelle épinière, mais ils ont construit un « mannequin » très bon, ajustable et mesurable, qui se comporte beaucoup plus comme le vrai que tout ce que nous avions auparavant. C'est une étape solide vers une chirurgie plus sûre et une meilleure compréhension des accidents.