Les scientifiques de l'Université de Princeton ont utilisé des outils d'impression standard pour créer une oreille fonctionnelle qui peut « entendre » des fréquences radio bien au-delà de la plage des capacités humaines normales.

L'objectif principal des chercheurs était d'explorer un moyen efficace et polyvalent de fusionner l'électronique avec les tissus. Les scientifiques ont utilisé l'impression 3D de cellules et de nanoparticules suivie d'une culture cellulaire pour combiner une petite antenne spirale avec du cartilage, créant ce qu'ils appellent une oreille bionique.

"En général, il y a des défis mécaniques et thermiques avec l'interfaçage de matériaux électroniques avec des matériaux biologiques, " a déclaré Michael McAlpine, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à Princeton et chercheur principal. "Précédemment, les chercheurs ont suggéré des stratégies pour adapter l'électronique afin que cette fusion soit moins gênante. Cela se produit généralement entre une feuille électronique 2D et une surface du tissu. Cependant, notre travail suggère une nouvelle approche :construire et développer la biologie avec l'électronique de manière synergique et dans un format 3D entrelacé."

L'équipe de McAlpine a réalisé plusieurs avancées ces dernières années impliquant l'utilisation de capteurs et d'antennes médicaux à petite échelle. L'année dernière, un effort de recherche dirigé par McAlpine et Naveen Verma, professeur assistant en génie électrique, et Fio Omenetto de l'Université Tufts, a abouti au développement d'un "tatouage" composé d'un capteur biologique et d'une antenne qui peut être apposée à la surface d'une dent.

Ce projet, cependant, est le premier effort de l'équipe pour créer un organe pleinement fonctionnel :un organe qui non seulement reproduit une capacité humaine, mais l'étend à l'aide de l'électronique embarquée

« La conception et la mise en œuvre d'organes et de dispositifs bioniques qui améliorent les capacités humaines, connu sous le nom de cybernétique, est un domaine d'intérêt scientifique croissant, " ont écrit les chercheurs dans l'article paru dans la revue savante Lettres nano . « Ce domaine a le potentiel de générer des pièces de rechange personnalisées pour le corps humain, ou même créer des organes contenant des capacités au-delà de ce que la biologie humaine fournit habituellement."

L'ingénierie tissulaire standard implique l'ensemencement de types de cellules, tels que ceux qui forment le cartilage de l'oreille, sur un échafaudage d'un matériau polymère appelé hydrogel. Cependant, les chercheurs ont dit que cette technique a des problèmes pour reproduire des structures biologiques tridimensionnelles compliquées. La reconstruction de l'oreille "reste l'un des problèmes les plus difficiles dans le domaine de la chirurgie plastique et reconstructive, " ils ont écrit.

Résoudre le problème, l'équipe s'est tournée vers une approche de fabrication appelée impression 3D. Ces imprimantes utilisent la conception assistée par ordinateur pour concevoir des objets sous forme de matrices de tranches minces. L'imprimante dépose ensuite des couches d'une variété de matériaux - allant du plastique aux cellules - pour construire un produit fini. Les partisans disent que la fabrication additive promet de révolutionner les industries domestiques en permettant à de petites équipes ou à des individus de créer un travail qui ne pouvait auparavant être effectué que par des usines.

La création d'organes à l'aide d'imprimantes 3D est une avancée récente; plusieurs groupes ont déclaré avoir utilisé la technologie à cette fin au cours des derniers mois. Mais c'est la première fois que des chercheurs démontrent que l'impression 3D est une stratégie pratique pour tisser des tissus avec de l'électronique.

La technique a permis aux chercheurs de combiner l'électronique de l'antenne avec des tissus dans la topologie très complexe d'une oreille humaine. Les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D ordinaire pour combiner une matrice d'hydrogel et de cellules de veau avec des nanoparticules d'argent qui forment une antenne. Les cellules du veau se développent plus tard en cartilage.

Manu Mannoor, un étudiant diplômé du laboratoire de McAlpine et l'auteur principal de l'article, a déclaré que la fabrication additive ouvre de nouvelles façons de penser l'intégration de l'électronique avec les tissus biologiques et rend possible la création de véritables organes bioniques dans la forme et la fonction. Il a dit qu'il pourrait être possible d'intégrer des capteurs dans une variété de tissus biologiques, par exemple, pour surveiller le stress sur le ménisque du genou d'un patient.

David Gracias, professeur agrégé à Johns Hopkins et co-auteur de la publication, a déclaré que combler le fossé entre la biologie et l'électronique représente un défi formidable qui doit être surmonté pour permettre la création de prothèses et d'implants intelligents.

"Les structures biologiques sont molles et spongieuses, composé majoritairement d'eau et de molécules organiques, alors que les appareils électroniques conventionnels sont durs et secs, composé principalement de métaux, semi-conducteurs et diélectriques inorganiques, " at-il dit. " Les différences de propriétés physiques et chimiques entre ces deux classes de matériaux ne pourraient pas être plus prononcées. "

L'oreille finie se compose d'une antenne enroulée à l'intérieur d'une structure cartilagineuse. Deux fils partent de la base de l'oreille et s'enroulent autour d'une "cochlée" hélicoïdale - la partie de l'oreille qui détecte le son - qui peut se connecter à des électrodes. Bien que McAlpine prévienne que des travaux supplémentaires et des tests approfondis devraient être effectués avant que la technologie puisse être utilisée sur un patient, il a dit que l'oreille pourrait en principe être utilisée pour restaurer ou améliorer l'audition humaine. Il a dit que les signaux électriques produits par l'oreille pourraient être connectés aux terminaisons nerveuses d'un patient, semblable à une aide auditive. Le système actuel reçoit des ondes radio, mais il a dit que l'équipe de recherche prévoit d'incorporer d'autres matériaux, tels que les capteurs électroniques sensibles à la pression, pour permettre à l'oreille d'enregistrer les sons acoustiques.

En plus de McAlpine, Verma, Mannoor et Gracias, l'équipe de recherche comprend :Winston Soboyejo, professeur de génie mécanique et aérospatial à Princeton; Karen Malatesta, un membre du corps professoral en biologie moléculaire à Princeton; Yong Lin-Kong, un étudiant diplômé en génie mécanique et aérospatial à Princeton; et Teena James, un étudiant diplômé en génie chimique et biomoléculaire à Johns Hopkins.

L'équipe comprenait également Ziwen Jiang, un élève du secondaire à l'école Peddie à Hightstown qui a participé dans le cadre d'un programme de sensibilisation pour les jeunes chercheurs du laboratoire de McAlpine.

"Ziwen Jiang est l'un des lycéens les plus spectaculaires que j'aie jamais vus, " a déclaré McAlpine. " Nous n'aurions pas pu mener à bien ce projet sans lui, en particulier dans son habileté à maîtriser les conceptions CAO des oreilles bioniques."