Les ingénieurs du MIT ont conçu un ingérable, Pilule de type Jell-O qui, en atteignant l'estomac, gonfle rapidement à la taille d'un mou, balle de ping-pong spongieuse assez grosse pour rester dans l'estomac pendant une longue période de temps.

La pilule gonflable est dotée d'un capteur qui suit en continu la température de l'estomac jusqu'à 30 jours. Si la pilule doit être retirée de l'estomac, un patient peut boire une solution de calcium qui déclenche la réduction rapide de la pilule à sa taille d'origine et son élimination en toute sécurité hors du corps.

La nouvelle pilule est fabriquée à partir de deux types d'hydrogels :des mélanges de polymères et d'eau qui ressemblent à la consistance de Jell-O. La combinaison permet à la pilule de gonfler rapidement dans l'estomac tout en restant imperméable à l'environnement acide agité de l'estomac.

La conception à base d'hydrogel est plus douce, plus biocompatible, et plus durables que les capteurs ingérables actuels, qui soit ne peut rester dans l'estomac que quelques jours, ou sont fabriqués à partir de plastiques durs ou de métaux qui sont de plusieurs ordres de grandeur plus rigides que le tractus gastro-intestinal.

"Le rêve est d'avoir une pilule intelligente de type Jell-O, qui, une fois avalé, reste dans l'estomac et surveille la santé du patient pendant une longue période, par exemple un mois, " dit Xuanhe Zhao, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.

Zhao et son collaborateur senior Giovanni Traverso, un scientifique invité qui rejoindra la faculté du MIT en 2019, avec les auteurs principaux Xinyue Liu, Christoph Steiger, et Shaoting Lin, ont publié leurs résultats dans Communication Nature .

Pilules, ping-pong, et poisson-globe

Le design de la nouvelle pilule gonflable s'inspire des mécanismes de défense du poisson-globe, ou poisson-globe. Normalement une espèce lente, le poisson-globe gonflera rapidement lorsqu'il est menacé, comme un ballon hérissé. Il le fait en aspirant une grande quantité d'eau, vite.

Le puffer est dur, corps à gonflage rapide était exactement ce que Zhao cherchait à reproduire sous forme d'hydrogel. L'équipe cherchait des moyens de concevoir une pilule à base d'hydrogel pour transporter des capteurs dans l'estomac et y rester pour surveiller, par exemple, signes vitaux ou états pathologiques pendant une période relativement longue.

Ils ont réalisé que si une pilule était assez petite pour être avalée et transmise dans l'œsophage, il serait aussi assez petit pour sortir de l'estomac, par une ouverture connue sous le nom de pylore. Pour l'empêcher de sortir de l'estomac, le groupe devrait concevoir la pilule pour qu'elle gonfle rapidement à la taille d'une balle de ping-pong.

"Actuellement, quand les gens essaient de concevoir ces gels hautement gonflants, ils utilisent généralement la diffusion, laisser l'eau diffuser progressivement dans le réseau d'hydrogel, " dit Liu. " Mais gonfler à la taille d'une balle de ping-pong prend des heures, voire des jours. C'est plus long que le temps de vidange de l'estomac."

Les chercheurs ont plutôt cherché des moyens de concevoir une pilule d'hydrogel qui pourrait gonfler beaucoup plus rapidement, à un rythme comparable à celui d'un poisson-globe surpris.

Un tracker ingérable

Le design sur lequel ils ont finalement atterri ressemble à un petit Capsule de type Jell-O, fabriqué à partir de deux matériaux hydrogels. Le matériau intérieur contient du polyacrylate de sodium, des particules superabsorbantes utilisées dans les produits commerciaux tels que les couches pour leur capacité à absorber rapidement le liquide et à gonfler.

Les chercheurs ont réalisé, cependant, que si la pilule n'était faite qu'à partir de ces particules, il se briserait immédiatement et sortirait de l'estomac sous forme de perles individuelles. Alors ils en ont conçu une seconde, couche protectrice d'hydrogel pour encapsuler les particules à gonflement rapide. Cette membrane externe est constituée d'une multitude de nanoscopiques, chaînes cristallines, chacun replié sur l'autre, dans un endroit presque impénétrable, motif d'embouteillage.

"Il faudrait traverser de nombreux domaines cristallins pour briser cette membrane, " dit Lin. "C'est ce qui rend cet hydrogel extrêmement robuste, et en même temps, mou, tendre."

Dans le laboratoire, les chercheurs ont trempé la pilule dans diverses solutions d'eau et de liquide ressemblant à des sucs gastriques, et a trouvé la pilule gonflée à 100 fois sa taille d'origine en 15 minutes environ, beaucoup plus rapidement que les hydrogels gonflables existants. Une fois gonflé, Zhao dit que la pilule parle de la douceur du tofu ou du Jell-O, pourtant étonnamment forte.

Pour tester la résistance de la pilule, les chercheurs l'ont pressé mécaniquement des milliers de fois, à des forces encore supérieures à celles que la pilule subirait en cas de contractions régulières de l'estomac.

"L'estomac applique des milliers à des millions de cycles de charge pour broyer les aliments, " explique Lin. " Et nous avons constaté que même lorsque nous faisons une petite coupure dans la membrane, puis étirez-le et serrez-le des milliers de fois, la coupe ne grossit pas. Notre conception est très robuste."

Les chercheurs ont en outre déterminé qu'une solution d'ions calcium, à une concentration supérieure à celle du lait, peut rétrécir les particules gonflées. Cela déclenche le dégonflement de la pilule et sa sortie de l'estomac.

Finalement, Steiger et Traverso intégrés petits, capteurs de température commerciaux en plusieurs pilules, et donné les pilules aux cochons, qui ont des estomacs et des tractus gastro-intestinaux très similaires à ceux des humains. L'équipe a ensuite récupéré les capteurs de température des selles des porcs et a tracé les mesures de température des capteurs au fil du temps. Ils ont découvert que le capteur était capable de suivre avec précision les schémas d'activité quotidienne des animaux jusqu'à 30 jours.

En bas de la route, les chercheurs envisagent que la pilule puisse administrer en toute sécurité un certain nombre de capteurs différents à l'estomac à surveiller, par exemple, niveaux de pH, ou des signes de certaines bactéries ou virus. De minuscules caméras peuvent également être intégrées dans les pilules pour visualiser la progression des tumeurs ou des ulcères, sur plusieurs semaines. Zhao dit que la pilule pourrait également être utilisée comme un moyen plus sûr, alternative plus confortable au régime ballon gastrique, une forme de contrôle de régime dans laquelle un ballon est enfilé à travers l'œsophage d'un patient et dans l'estomac, à l'aide d'un endoscope.

"Avec notre conception, vous n'auriez pas besoin de passer par un processus douloureux pour implanter un ballon rigide, " dit Zhao. " Vous pouvez peut-être prendre quelques-unes de ces pilules à la place, pour vous aider à remplir votre estomac, et perdre du poids. Nous voyons de nombreuses possibilités pour ce dispositif d'hydrogel."