Monde de la Physique : « Si tu te reposes, tu rouilles »

Les articulations biologiques – comme celles du genou, de la hanche ou de l’épaule – sont un étonnant miracle de la nature : des cartilages sains glissent presque parfaitement les uns sur les autres et avec extrêmement peu de friction. La friction dans une articulation biologique est en réalité cent fois inférieure à celle d’une articulation mécanique. C’est pourquoi les chercheurs ont désormais examiné en détail le mécanisme physique des articulations biologiques au niveau de molécules individuelles. Dans l’interview, Markus Valtiner de l’Université technique de Vienne parle des résultats des expériences et rapporte ce qui peut en être appris pour les articulations mécaniques et les nouvelles stratégies thérapeutiques.

Monde de la physique : Pourquoi les articulations biologiques sont-elles si spéciales ?

Markus Valtiner : La particularité de l’articulation biologique est qu’au cours de l’évolution, la nature a trouvé un moyen d’atteindre des coefficients de friction incroyablement bas. Cela signifie que même si les surfaces articulaires se pressent les unes contre les autres avec une force considérable, la force de frottement agissant sur les surfaces reste extrêmement faible dans une articulation saine. En tant que physicien des interfaces, je souhaite comprendre les mécanismes qui rendent cela possible : comment la nature parvient-elle à maintenir la friction – et donc l’usure – à un niveau aussi bas ?

La nature peut-elle faire mieux que la technologie ?

Dans les articulations biologiques saines, le frottement est jusqu’à deux ordres de grandeur inférieur à celui des articulations techniques conventionnelles. Dans les machines, les gens essaient généralement de minimiser la friction sur les surfaces en utilisant des huiles ou des substances similaires, mais ils ne peuvent pas réaliser ce que la nature crée. La friction et l’usure des machines génèrent des coûts annuels s’élevant à plusieurs pour cent du produit intérieur brut mondial et consomment environ un cinquième des besoins énergétiques mondiaux.

Et quel rôle joue l’usure sur les articulations biologiques ?

L’usure est un énorme problème pour les articulations biologiques vieillissantes et fortement sollicitées. Dans les enquêtes, environ un quart des personnes interrogées déclarent avoir des problèmes articulaires. Celles-ci sont souvent causées par l’arthrose, c’est-à-dire l’usure des articulations. Nous souhaitons donc mieux comprendre le mécanisme de protection naturel des articulations saines et découvrir si et comment nous pouvons le transférer vers des applications techniques et biomédicales.

Comment avez-vous exploré cette question ?

Nous avons examiné au niveau atomique ce qui se passe lorsque des surfaces ayant des états physiques différents se réunissent dans la jointure. Nous appelons également ces surfaces interfaces car elles ont des propriétés particulières : par exemple, si un solide rencontre un liquide, le liquide à l’interface est structuré différemment qu’à l’intérieur et la surface du solide peut également prendre une structure différente du reste de la surface. matériel . Pour étudier les interfaces dans les articulations biologiques, nous nous sommes concentrés sur l’analyse haute résolution des films fluides entre les articulations.

Quel rôle jouent les films fluides dans les articulations ?

On soupçonne depuis longtemps que des films fluides spéciaux maximisent la lubrification des articulations et minimisent ainsi la friction dans l’articulation : c’est ce qu’on appelle la superlubrification. L’hypothèse est que la lubrizine – qui est un composant du liquide synovial – est responsable de la superlubrification. La lubrizine est une molécule vraiment passionnante. Entre autres choses, il est très hydrophile et lie donc les molécules d’eau à l’intérieur. Si Lubrizin est mis sous pression, l’eau liée peut à nouveau s’échapper et lubrifier ainsi les surfaces des joints. Les surfaces articulaires frottent alors essentiellement sur l’eau – de la même manière que vous glissez sur le film d’eau sur la surface de la glace lorsque vous patinez en raison de la pression exercée sur la glace. Ce qui est crucial dans le joint, c’est que l’eau forme un film liquide lisse et stable. Nous avons récemment démontré le mécanisme exact de cela.

Qu’avez-vous découvert exactement ?

Nous avons pu comprendre, à une résolution atomique, comment se forme le film liquide superlubrifiant. Et nous avons prouvé que la concentration et la capacité de liaison des molécules de lubrizine sont cruciales à cet effet. Dans nos expériences, au lieu de la lubrizine, nous avons examiné les ions de lanthane dissous dans l’eau, qui sont des molécules chargées électriquement ayant des propriétés de liaison similaires à celles de la lubrizine. Comparés à Lubrizin, les ions lanthane sont plus facilement disponibles et sont également intéressants pour des applications médicales ultérieures. Nous avons simulé le frottement des surfaces articulaires à l’aide d’une configuration de modèle éprouvée : nous avons déplacé deux surfaces cylindriques fortement chargées négativement l’une contre l’autre sous l’effet de la pression. Et entre ces surfaces se trouvait le film d’eau contenant les ions de lanthane dissous.

Ce qui est arrivé ensuite?

Nous avons observé comment les ions positifs du lanthane s’attachent aux surfaces chargées négativement des cylindres, s’y « accrochent », pour ainsi dire, et lient localement les molécules d’eau à elles-mêmes. En fonction de la concentration des ions, le film d’eau change alors : à faible concentration, il présente de nombreux trous, pratiquement comme une surface rugueuse. Le frottement est donc assez élevé. À des concentrations d’ions plus élevées, une surface de l’eau de plus en plus lisse se forme jusqu’à ce que la friction soit parfaitement minimisée. Avec des densités d’ions encore plus élevées, de nouvelles « montagnes » et « vallées » émergent, ce qui entraîne une friction plus élevée. Après une décennie de recherche, nous avons désormais véritablement prouvé le rôle crucial des ions dans la friction des articulations. Pour la première fois, nous disposons désormais d’images résolues atomiquement et de coefficients de frottement mesurés, que nous pouvons également comparer avec des simulations théoriques.

Ces résultats peuvent-ils être transférés aux systèmes techniques ?

Je le pense, car nous connaissons désormais les facteurs d’influence pertinents. Il s’agit par nature d’un geste vraiment très astucieux : chaque fois que le frottement augmente en raison de la pression, le film de glissement dans les articulations biologiques s’améliore encore – et cela est également dû à la pression. En règle générale, les systèmes techniques ne peuvent pas encore y parvenir. Les joints techniques sont généralement constitués uniquement d’huile et de deux matériaux durs, mais d’aucun composant ajoutant de l’huile supplémentaire. Je pense que nos résultats nous permettront de développer de nouveaux matériaux ayant des propriétés similaires à celles du Lubrizin, mais qui pourraient ne pas ressembler au Lubrizin ni même fonctionner de manière complètement différente. Par exemple, de nombreuses recherches sont actuellement menées sur les systèmes poreux dotés de structures spongieuses. Il existe des effets incroyablement excitants au niveau moléculaire.

Y aura-t-il également à l’avenir de nouvelles stratégies de traitement contre l’usure biologique des articulations ?

De nombreuses thérapies actuelles tentent uniquement de soulager la douleur et de restaurer temporairement les frictions, par exemple en injectant de l’acide hyaluronique. C’est comparable à l’huile dans les machines, car vous ajoutez un lubrifiant, mais vous ne pouvez pas influencer son emplacement. C’est pourquoi il existe déjà les premières idées thérapeutiques avec des ions triplement chargés et hautement attirants l’eau : la lubricine chargée positivement adhère à une surface négative de nos articulations. S’il commence à échouer, vous pouvez injecter des ions positifs comme le lanthane. Cela permettrait essentiellement de combler les lacunes du lubrifiant, de renforcer à nouveau la tenue du film liquide et de préserver ainsi au mieux la structure originale et naturelle de l’interface.

Et que pouvons-nous faire nous-mêmes pour nos articulations ?

Bougons nos articulations. De cette façon, nous empêchons les molécules de lubrizine de se dégrader. Cela peut se produire, par exemple, si des dépôts s’accumulent sur les molécules de lubricine et que celles-ci perdent ainsi leur capacité à absorber l’eau pour créer le film lubrifiant. Si vous vous reposez, vous rouillez – cela s’applique à nos articulations au vrai sens du terme.