Des chercheurs de la Tufts University School of Engineering et de l'Université de Boston ont fabriqué et caractérisé les premières structures de métamatériaux à grande surface modelées sur des implants, substrats de soie biocompatibles.

La recherche dans la revue Matériaux avancés , offre une voie prometteuse vers le développement d'une nouvelle classe de biocapteurs et biodétecteurs implantables inspirés des métamatériaux.

Les métamatériaux sont des composites électromagnétiques artificiels, généralement constitués de métaux hautement conducteurs, dont les structures répondent aux ondes électromagnétiques d'une manière que les atomes des matériaux naturels ne font pas. Les métamatériaux les plus futuristes absorberaient toute la lumière, créer de la chaleur pour détruire les tissus cancéreux, ou courber complètement la lumière autour d'un objet, rendre cet objet invisible - un délice imaginaire pour les fans de science-fiction ou de romans d'espionnage.

"Toutefois, le vrai pouvoir des métamatériaux est la possibilité de construire des matériaux avec une réponse électromagnétique conçue par l'utilisateur à une fréquence cible contrôlée avec précision. Cela ouvre la porte à de nouveaux comportements électromagnétiques tels que l'indice de réfraction négatif, lentille parfaite, absorbeurs parfaits et capes d'invisibilité, " explique le professeur Tufts de génie biomédical Fiorenzo Omenetto, qui a dirigé l'équipe de recherche. Omenetto est également titulaire d'un poste au département de physique de la Tufts School of Arts and Sciences.

L'équipe s'est concentrée sur les composites de soie métamatériaux qui résonnent à la fréquence térahertz. C'est la fréquence à laquelle de nombreux agents chimiques et biologiques présentent des « empreintes digitales, " qui pourrait potentiellement être utilisé pour la biodétection.

Les petites antennes agissent comme une seule

Les chercheurs ont pulvérisé des structures de métamatériaux à base d'or directement sur des films de soie préfabriqués avec des pochoirs microfabriqués en utilisant une technique d'évaporation par masque d'ombre. La pulvérisation du métamatériau sur les films de soie flexibles a créé un composite si souple qu'il pouvait être enveloppé dans de petits, cylindres en forme de capsule.

Les films de soie sont hautement transparents aux fréquences THz, ainsi, les composites de soie métamatériaux affichent une forte réponse électromagnétique de résonance. Chaque échantillon fabriqué était de 1 centimètre carré et contenait 10, 000 résonateurs métamatériaux avec une réponse de résonance unique aux fréquences souhaitées.

Selon Fiorenzo Omenetto, l'équipe de recherche compare le concept à "un type d'antenne très particulier - en fait, beaucoup de petites antennes qui se comportent comme une seule. Le composite de métamatériau en soie est sensible aux propriétés diélectriques du substrat en soie et peut surveiller l'interaction entre la soie et l'environnement local. Par exemple, le métamatériau pourrait signaler des changements dans un substrat de soie bioréactif qui a été dopé avec des protéines ou des enzymes."

L'ajout d'un substrat biologique pur tel que la soie au métamatériau en or ajoute une latitude et une opportunité immenses pour des applications imprévues, dit le professeur Richard Averitt, l'un des collaborateurs d'Omenetto de l'Université de Boston et un expert en métamatériaux.

La réponse de résonance pourrait être utilisée comme signature électromagnétique implantable pour des agents de contraste ou des applications de bio-tracking, dit le co-auteur Hu Tao, un ancien étudiant diplômé de l'Université de Boston qui est maintenant associé postdoctoral dans le laboratoire d'Omenetto.

Bio-détection in situ

Pour démontrer le concept, les chercheurs ont mené une série d'expériences in vitro qui ont examiné la réponse électromagnétique des métamatériaux de soie lorsqu'ils sont implantés sous de fines tranches de tissu musculaire. Ils ont découvert que les métamatériaux conservaient leurs nouvelles propriétés de résonance pendant leur implantation. Le même processus pourrait être facilement adapté pour fabriquer des métamatériaux de soie à d'autres fréquences, selon Tao.

"Notre approche est très prometteuse pour des applications telles que la biodétection in situ avec des dispositifs médicaux implantés et la transmission d'informations médicales depuis l'intérieur du corps humain, " dit Omenetto. " Imaginez les avantages de surveiller la vitesse d'administration du médicament à partir d'un stent cardiaque à élution médicamenteuse, faire un absorbeur parfait qui peut être implanté pour attaquer les tissus malades par la chaleur, ou envelopper un 'cape d'invisibilité' autour d'un organe pour examiner le tissu qui se trouve derrière."