Propriétés micromécaniques des tissus squelettiques par rétention de l’eau liée comme mécanisme de précontrainte

Ce projet examinera le lien entre l’homéostasie des tissus squelettiques et leurs propriétés micromécaniques par l’entremise des interactions de l’eau avec des ensembles macromoléculaires osmotiquement actifs. À l’échelle nanométrique, les composants organiques et inorganiques des tissus squelettiques interagissent avec l’eau. Un squelette « sec » de taille moyenne contient néanmoins environ 1 litre d’eau structurale qui est étroitement associée aux interfaces organiques-inorganiques dans le tissu osseux. En raison de la structure hiérarchique complexe de l’os, la surface nette de l’interface organique-inorganique est d’environ 0,9 km2 par squelette. Cette surface collective présente une charge négative permanente attribuable aux anions inorganiques et organiques. Un litre d’eau est distribué uniformément sur la surface totale afin de former une mince pellicule uniforme d’environ 5 à 6 molécules d’eau. Les molécules d’eau polarisées s’orientent par rapport aux surfaces chargées pour former des couches d’hydratation rigides. Incapable d’échapper à l’attraction osmotique d’un substrat chargé, l’eau liée rend le tissu précontraint. La précontrainte – un équilibre entre la prétension et la précompression – est une importante stratégie structurale dans la nature, de la nanoéchelle à la macroéchelle. Ainsi, l’étendue de l’hydratation régit la rigidité, la robustesse et le comportement viscoélastique non linéaire des tissus squelettiques. Toutefois, la quantité d’eau liée dans les tissus vivants dépend du pH interstitiel, qui dépend des fonctions respiratoires et rénales et des voies d’énergie. L’effet du pH interstitiel sur la rétention de l’eau et le comportement micromécanique des tissus est inconnu et notre compréhension bénéficierait de la caractérisation des constructions biomimétiques acellulaires minéralisées et non-minéralisées. J’utiliserai des gels de collagène de haute densité sans cellules préparés in vitro selon une approche aspiration-éjection. Toutefois, en l’absence d’une réticulation contrôlée (comme cela se produit in vivo), l’eau liée n’est pas contenue dans l’espace et ne contribue donc pas à la précontrainte requise, et une telle construction demeurerait malléable. J’induirai une réticulation covalente pour rendre le cadre de collagène inextensible et quantifierai le raidissement induit par l’eau liée en fonction du pH ambiant. L’effet de la précontrainte induite par l’eau liée sur la biominéralisation naturelle des os et des dents est tel que le minéral à base de phosphate de calcium en nucléation déplace graduellement l’eau liée précomprimée dans le cadre de collagène réticulé et place ainsi le minéral lui-même sous précompression. De cette façon, le cadre entièrement minéralisé est adéquat tant sur le plan de la tension que de la compression. J’examinerai la possibilité d’induire une minéralisation biomimétique dans les constructions collagéniques réticulées et précontraintes, et comparerai les propriétés nanoarchitecturales cristallographiques de ces constructions minéralisées précontraintes à celles de l’os naturel. Ce projet jettera des bases empiriques pour étudier les interactions moléculaires et leurs effets biomécaniques dans les tissus vivants. Mes recherches suivantes dans le domaine des études sur le mode de vie in vivo, le vieillissement et la longévité des animaux permettront de clarifier le lien entre le mode de vie, le métabolisme et l’adaptation de tous les organismes vivants, y compris les humains – une question particulièrement importante pour la société moderne.