Les scientifiques ont créé pour la première fois des surfaces souples synthétiques avec des textures en forme de langue en utilisant l'impression 3D, ouvrant de nouvelles possibilités pour tester les propriétés de transformation orale des aliments, technologies nutritionnelles, la pharmacie et les thérapies de la bouche sèche.

Des scientifiques britanniques dirigés par l'Université de Leeds en collaboration avec l'Université d'Édimbourg ont reproduit la conception de surface hautement sophistiquée d'une langue humaine et ont démontré que leur structure en silicone synthétique imprimée imite la topologie, élasticité et mouillabilité de la surface de la langue.

Ces facteurs sont déterminants pour la façon dont la nourriture ou la salive interagissent avec la langue, qui à son tour peut affecter la sensation en bouche, avaler, discours, apport nutritionnel et qualité de vie.

Une langue biomimétique aidera les développeurs à effectuer le criblage de produits nouvellement conçus et à accélérer les nouveaux processus de développement sans avoir besoin d'essais humains à des stades précoces qui sont souvent très coûteux et longs.

Particulièrement, depuis le début de la pandémie de COVID-19, la distanciation sociale a posé des défis importants pour effectuer de tels essais sensoriels et tests de consommation. Une langue biomimétique sera extrêmement utile pour augmenter la productivité du développement et réduire la dépendance des fabricants aux essais humains dans les premiers stades.

Une langue biomimétique pourrait en outre offrir une myriade d'applications pour lutter contre l'adultération dans les aliments et autres produits pharmaceutiques administrés par voie orale, que les attributs de texture soient des caractéristiques déterminantes et puissent économiser d'énormes pertes économiques.

La nature complexe de la surface biologique de la langue a posé des défis dans la réplication artificielle, ajoutant des obstacles majeurs au développement et au dépistage de traitements ou de thérapies efficaces et durables pour le syndrome de la bouche sèche - environ 10 % de la population générale et 30 % des personnes âgées souffrent de bouche sèche.

Auteur principal de l'étude, Le Dr Efren Andablo-Reyes a mené cette recherche alors qu'il était boursier postdoctoral à la School of Food Science and Nutrition de Leeds. Il a déclaré:"Recréer la surface d'une langue humaine moyenne s'accompagne de défis architecturaux uniques. Des centaines de petites structures en forme de bourgeon appelées papilles donnent à la langue sa texture rugueuse caractéristique qui, combinée à la nature douce du tissu, crée un paysage compliqué à partir d'un point de vue mécanique.

"Nous avons concentré notre attention sur la partie dorsale antérieure de la langue où certaines de ces papilles contiennent des récepteurs du goût, alors que beaucoup d'entre eux n'ont pas de tels récepteurs. Les deux types de papilles jouent un rôle essentiel en fournissant la bonne friction mécanique pour faciliter la transformation des aliments dans la bouche avec la quantité adéquate de salive, offrant une perception agréable en bouche et une lubrification appropriée pour la déglutition.

« Nous avons cherché à reproduire ces caractéristiques mécaniquement pertinentes de la langue humaine sur une surface facile à utiliser en laboratoire pour reproduire les conditions de traitement par voie orale. »

L'étude qui a réuni une expertise unique en science des colloïdes alimentaires, physique de la matière molle, dentisterie, génie mécanique et informatique est publié aujourd'hui dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS .

L'équipe a pris des empreintes en silicone des surfaces de la langue de quinze adultes. Les empreintes ont été scannées optiquement en 3D pour cartographier les dimensions des papilles, densité et la rugosité moyenne des langues. La texture d'une langue humaine s'est avérée ressembler à une disposition aléatoire.

L'équipe a utilisé des simulations informatiques et une modélisation mathématique pour créer une surface artificielle imprimée en 3D pour fonctionner comme un moule contenant des puits avec la forme et les dimensions des différentes papilles réparties de manière aléatoire sur la surface avec la bonne densité. Celui-ci a été moulé en réplique contre des élastomères d'une douceur et d'une mouillabilité optimisées.

Co-auteur de l'Université d'Édimbourg, Rik Sarkar de la School of Informatics a déclaré :« Le caractère aléatoire de la distribution des papilles semble jouer un rôle sensoriel important pour la langue.

« Nous avons défini un nouveau concept appelé probabilité de collision pour mesurer la mécanodétection qui aura un impact important dans ce domaine. À l'avenir, nous utiliserons une combinaison d'apprentissage automatique et de topologie informatique pour créer des modèles de langue de divers individus sains et malades afin de traiter diverses affections bucco-dentaires. »

La surface artificielle a ensuite été imprimée en 3D à l'aide de la technologie de traitement numérique de la lumière basée à la School of Mechanical Engineering de Leeds.

L'équipe a mené une série d'expériences utilisant différents fluides complexes pour s'assurer que la mouillabilité de la surface imprimée (comment un liquide maintient le contact et se propage sur une surface) et que les performances de lubrification étaient les mêmes que les empreintes de la langue humaine.

Le co-auteur, le Dr Michael Bryant de la School of Mechanical Engineering de Leeds a déclaré :« L'application des principes bio-tribologiques, l'étude du frottement et de la lubrification, dans la création de cette surface en forme de langue est un pas en avant significatif dans ce domaine.

"La capacité de produire des répliques précises des surfaces de la langue avec une structure et des propriétés mécaniques similaires aidera à rationaliser la recherche et le développement pour les soins bucco-dentaires, produits alimentaires et technologies thérapeutiques.

Chercheur principal Anwesha Sarkar, Professeur de Colloïdes et Surfaces à Leeds, a déclaré : « Cartographier et reproduire avec précision la surface de la langue et la combiner avec un matériau qui se rapproche de l'élasticité de la langue humaine n'était pas une mince tâche. Exploiter l'expertise de plusieurs disciplines STEM, nous avons démontré la capacité sans précédent d'une surface en silicone imprimée en 3D à imiter les performances mécaniques de la langue humaine.

"Nous pensons que la fabrication d'une surface synthétique avec des propriétés pertinentes qui imite les caractéristiques architecturales complexes, et plus important encore, la performance lubrifiante de la langue humaine est primordiale pour acquérir une compréhension quantitative de la façon dont les fluides interagissent dans la cavité buccale.

"Cette surface biomimétique de la langue pourrait également servir d'outil mécanique unique pour aider à détecter la contrefaçon dans les aliments et les boissons de grande valeur en fonction d'attributs de texture, qui est une préoccupation mondiale et peut contribuer à garantir la sécurité alimentaire.

"Finalement, notre espoir est que la surface que nous avons conçue puisse être importante pour comprendre comment la biomécanique de la langue sous-tend les principes fondamentaux de l'alimentation humaine et de la parole.