La thérapie de compression est une forme standard de traitement pour les patients qui souffrent d'ulcères veineux et d'autres conditions dans lesquelles les veines ont du mal à renvoyer le sang des membres inférieurs. Bas de contention et bandages, enroulé étroitement autour du membre affecté, peut aider à stimuler la circulation sanguine. Mais il n'existe actuellement aucun moyen clair de déterminer si un pansement applique une pression optimale pour une condition donnée.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont développé des fibres photoniques à détection de pression qu'ils ont tissées dans un bandage de compression typique. Au fur et à mesure que le pansement est étiré, les fibres changent de couleur. A l'aide d'un nuancier, un soignant peut étirer un pansement jusqu'à ce qu'il corresponde à la couleur pour une pression souhaitée, avant, dire, l'enrouler autour de la jambe d'un patient.

Les fibres photoniques peuvent alors servir de capteur de pression continu - si leur couleur change, les soignants ou les patients peuvent utiliser le nuancier pour déterminer si et dans quelle mesure le bandage doit être desserré ou resserré.

« Une bonne pression est essentielle dans le traitement de nombreuses conditions médicales, notamment les ulcères veineux, qui touchent plusieurs centaines de milliers de patients aux États-Unis chaque année, " dit Mathias Kolle, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. "Ces fibres peuvent fournir des informations sur la pression exercée par le bandage. Nous pouvons les concevoir de manière à ce que, pour une pression spécifique souhaitée, les fibres reflètent une couleur facilement reconnaissable."

Kolle et ses collègues ont publié leurs résultats dans la revue Matériaux de santé avancés . Les co-auteurs du MIT incluent le premier auteur Joseph Sandt, Marie Moudio, et Christian Argenti, avec J. Kenji Clark de l'Université de Tokyo, James Hardin du Laboratoire de recherche de l'armée de l'air des États-Unis, Matthew Carty de Brigham and Women's Hospital-Harvard Medical School, et Jennifer Lewis de l'Université Harvard.

Inspiration naturelle

La couleur des fibres photoniques ne résulte d'aucune pigmentation intrinsèque, mais de leur configuration structurelle soigneusement conçue. Chaque fibre mesure environ 10 fois le diamètre d'un cheveu humain. Les chercheurs ont fabriqué la fibre à partir de couches ultrafines de matériaux en caoutchouc transparent, qu'ils ont enroulé pour créer une structure de type jelly roll. Chaque couche du rouleau n'a que quelques centaines de nanomètres d'épaisseur.

Dans cette configuration enroulée, la lumière se reflète sur chaque interface entre les couches individuelles. Avec suffisamment de couches d'épaisseur constante, ces reflets interagissent pour renforcer certaines couleurs dans le spectre visible, par exemple rouge, tout en diminuant la luminosité des autres couleurs. Cela fait apparaître la fibre d'une certaine couleur, en fonction de l'épaisseur des couches à l'intérieur de la fibre.

"La couleur structurelle est vraiment soignée, parce que vous pouvez devenir plus lumineux, des couleurs plus fortes qu'avec des encres ou des colorants simplement en utilisant des arrangements particuliers de matériaux transparents, " Sandt dit. "Ces couleurs persistent tant que la structure est maintenue."

La conception des fibres repose sur un phénomène optique appelé « interférence, " sous quelle lumière, réfléchie par un empilement périodique de minces, couches transparentes, peut produire des couleurs vives qui dépendent des paramètres géométriques de la pile et de la composition des matériaux. L'interférence optique est ce qui produit des tourbillons colorés dans les flaques huileuses et les bulles de savon. C'est aussi ce qui donne aux paons et aux papillons leur éclat, les nuances changeantes, car leurs plumes et leurs ailes sont constituées de structures périodiques similaires.

"Mon intérêt a toujours été de prendre des éléments structurels intéressants qui sont à l'origine des stratégies de manipulation de la lumière les plus éblouissantes de la nature, essayer de les recréer et de les utiliser dans des applications utiles, " dit Kolle.

Une approche à plusieurs niveaux

L'approche de l'équipe combine des concepts de conception optique connus avec des matériaux souples, pour créer des matériaux photoniques dynamiques.

Alors qu'il était post-doctorant à Harvard dans le groupe du professeur Joanna Aizenberg, Kolle s'est inspiré du travail de Pete Vukusic, professeur de biophotonique à l'Université d'Exeter au Royaume-Uni, sur Margaritaria nobilis, une plante tropicale qui produit des baies bleues extrêmement brillantes. La peau des fruits est constituée de cellules à structure cellulosique périodique, à travers laquelle la lumière peut se refléter pour donner au fruit sa couleur bleu métallique caractéristique.

Ensemble, Kolle et Vukusic ont cherché des moyens de traduire l'architecture photonique du fruit en un matériau synthétique utile. Finalement, ils ont façonné des fibres multicouches à partir de matériaux extensibles, et supposait que l'étirement des fibres changerait l'épaisseur des couches individuelles, leur permettant d'ajuster la couleur des fibres. Les résultats de ces premiers efforts ont été publiés dans Matériaux avancés en 2013.

Lorsque Kolle a rejoint la faculté du MIT la même année, lui et son groupe, dont Sandt, amélioré la conception et la fabrication de la fibre photonique. Dans leur forme actuelle, les fibres sont constituées de couches de caoutchoucs transparents couramment utilisés et largement disponibles, enroulé autour de noyaux de fibres hautement extensibles. Sandt a fabriqué chaque couche en utilisant un revêtement par centrifugation, une technique dans laquelle un caoutchouc, dissous en solution, est versé sur un rouet. L'excès de matériau est projeté hors de la roue, laissant une mince, revêtement uniforme, dont l'épaisseur peut être déterminée par la vitesse de la roue.

Pour la fabrication de fibres, Sandt a formé ces deux couches au-dessus d'un film soluble dans l'eau sur une plaquette de silicium. Il a ensuite submergé la plaquette, avec les trois couches, dans l'eau pour dissoudre la couche soluble dans l'eau, laissant les deux couches caoutchouteuses flotter à la surface de l'eau. Finalement, il a soigneusement enroulé les deux couches transparentes autour d'une fibre de caoutchouc noir, pour produire la fibre photonique colorée finale.

Reflet de la pression

L'équipe peut régler l'épaisseur des couches de fibres pour produire n'importe quel réglage de couleur souhaité, en utilisant des approches de modélisation optique standard personnalisées pour leur conception de fibre.

"Si vous voulez qu'une fibre passe du jaune au vert, ou bleu, nous pouvons dire, "C'est ainsi que nous devons disposer la fibre pour nous donner ce genre de trajectoire [couleur], "" dit Kolle. "C'est puissant parce que vous voudrez peut-être avoir quelque chose qui reflète le rouge pour montrer une tension dangereusement élevée, ou vert pour « ok ». Nous avons cette capacité."

L'équipe a fabriqué des fibres aux couleurs changeantes avec un variation de couleur dépendante de la contrainte à l'aide du modèle théorique, puis cousus sur la longueur d'un bandage compressif classique, qu'ils ont précédemment caractérisé pour déterminer la pression que le bandage génère lorsqu'il est étiré d'une certaine quantité.

L'équipe a utilisé la relation entre l'étirement du bandage et la pression, et la corrélation entre la couleur et la déformation des fibres, établir un nuancier, faire correspondre la couleur d'une fibre (produite par un certain étirement) à la pression générée par le bandage.

Pour tester l'efficacité du pansement, Sandt et Moudio ont enrôlé plus d'une dizaine d'étudiants volontaires, qui ont travaillé en binôme pour appliquer trois bandages compressifs différents sur les jambes de l'autre :un bandage simple, un pansement enfilé de fibres photoniques, et un pansement disponible dans le commerce imprimé avec des motifs rectangulaires. Ce bandage est conçu pour que lorsqu'il applique une pression optimale, les utilisateurs devraient voir que les rectangles deviennent des carrés.

Globalement, le bandage tissé avec des fibres photoniques a donné le retour de pression le plus clair. Les élèves ont pu interpréter la couleur des fibres, et sur la base du nuancier, appliquer une pression optimale correspondante plus précisément que l'un ou l'autre des autres bandages.

Les chercheurs cherchent maintenant des moyens d'étendre le processus de fabrication des fibres. Actuellement, ils sont capables de fabriquer des fibres de plusieurs pouces de long. Idéalement, ils aimeraient produire des mètres voire des kilomètres de telles fibres à la fois.

"Actuellement, les fibres sont chères, principalement à cause du travail nécessaire à leur fabrication, " dit Kolle. " Les matériaux eux-mêmes ne valent pas grand chose. Si nous pouvions dérouler des kilomètres de ces fibres avec relativement peu de travail, alors ils seraient très bon marché."

Puis, ces fibres pourraient être enfilées dans des bandages, ainsi que des textiles tels que des vêtements de sport et des chaussures comme indicateurs de couleur pour, dire, tension musculaire pendant les entraînements. Kolle envisage qu'ils peuvent également être utilisés comme jauges de contrainte lisibles à distance pour les infrastructures et les machines.

"Bien sûr, ils pourraient aussi être un outil scientifique qui pourrait être utilisé dans un contexte plus large, que nous voulons explorer, " dit Kolle.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.