(Phys.org) —Les nanotubes de carbone servent de ponts qui permettent aux signaux électriques de passer sans entrave à travers les nouveaux patchs pédiatriques pour malformations cardiaques inventés à l'Université Rice et au Texas Children's Hospital.

Une équipe dirigée par le bio-ingénieur Jeffrey Jacot et l'ingénieur chimiste et chimiste Matteo Pasquali ont créé les patchs infusés de nanotubes de carbone conducteurs à paroi unique. Les patchs sont constitués d'un bioscaffold semblable à une éponge qui contient des pores microscopiques et imite la matrice extracellulaire du corps.

Les nanotubes surmontent une limitation des patchs de courant dans lesquels les parois des pores entravent le transfert des signaux électriques entre les cardiomyocytes, les cellules battantes du muscle cardiaque, qui s'installent dans le patch et le remplacent éventuellement par un nouveau muscle.

Le travail paraît ce mois-ci dans la revue American Chemical Society ACS Nano . Les chercheurs ont déclaré que leur invention pourrait servir de patch de pleine épaisseur pour réparer les défauts dus à la tétralogie de Fallot, défauts septaux auriculaires et ventriculaires et autres défauts sans risque d'induire des rythmes cardiaques anormaux.

Les patchs originaux créés par le laboratoire de Jacot se composent principalement d'hydrogel et de chitosane, un matériau largement utilisé fabriqué à partir de carapaces de crevettes et d'autres crustacés. Le patch est attaché à une épine dorsale en polymère qui peut contenir un point et le maintenir en place pour couvrir un trou dans le cœur. Les pores permettent aux cellules naturelles d'envahir le patch, qui se dégrade à mesure que les cellules forment leurs propres réseaux. Le patch, y compris la colonne vertébrale, se dégrade en quelques semaines ou mois lorsqu'il est remplacé par des tissus naturels.

Des chercheurs de Rice et d'ailleurs ont découvert qu'une fois que les cellules ont pris leur place dans les plaques, ils ont du mal à se synchroniser avec le reste du cœur qui bat parce que l'échafaudage coupe les signaux électriques qui passent de cellule en cellule. Cette perte temporaire de transduction du signal entraîne des arythmies.

Les nanotubes peuvent résoudre ce problème, et Jacot, qui a une nomination conjointe à Rice et Texas Children's, profité de l'environnement de recherche collaborative qui l'entoure.

"Cela découle d'une discussion avec le laboratoire du Dr Pasquali ainsi qu'avec des cardiologues interventionnels du Texas Medical Center, " a déclaré Jacot. "Nous avons cherché un moyen d'obtenir de meilleures communications de cellule à cellule et nous nous sommes concentrés sur la vitesse de conduction électrique à travers le patch. Nous pensions que les nanotubes pouvaient être facilement intégrés."

Les nanotubes améliorent le couplage électrique entre les cellules qui envahissent le patch, les aidant à suivre le rythme régulier du cœur. "Lorsque les cellules remplissent un patch pour la première fois, leurs connexions sont immatures par rapport au tissu natif, " a déclaré Jacot. L'échafaudage isolant peut retarder davantage le signal de cellule à cellule, mais les nanotubes se frayent un chemin autour des obstacles.

Jacot a déclaré que la concentration relativement faible de nanotubes – 67 parties par million dans les patchs les mieux testés – est la clé. Des tentatives antérieures d'utilisation de nanotubes dans des patchs cardiaques utilisaient des quantités beaucoup plus élevées et différentes méthodes de dispersion.

Le laboratoire de Jacot a découvert un composant qu'ils utilisaient déjà dans leurs patchs - le chitosane - maintient les nanotubes étalés. "Le chitosane est amphiphile, c'est-à-dire qu'il a des parties hydrophobes et hydrophiles, il peut donc s'associer aux nanotubes (qui sont hydrophobes) et les empêcher de s'agglutiner. C'est ce qui nous permet d'utiliser des concentrations bien inférieures à celles que d'autres ont essayées."

Parce que la toxicité des nanotubes de carbone dans les applications biologiques reste une question ouverte, Pasquali a dit, moins on en utilise, le meilleur. "Nous voulons rester au seuil de percolation, et y arriver avec le moins de nanotubes possible, ", a-t-il déclaré. "Nous pouvons le faire si nous contrôlons bien la dispersion et utilisons des nanotubes de haute qualité."

Les patchs commencent sous forme liquide. Lorsque des nanotubes sont ajoutés, le mélange est agité par sonication pour disperser les tubes, qui autrement s'agglutinerait, en raison de l'attraction van der Waals. L'agglutination peut avoir été un problème pour les expériences qui ont utilisé des concentrations de nanotubes plus élevées, dit Pasquali.

Le matériau est filé dans une centrifugeuse pour éliminer les amas errants et façonné en fines, disques de la taille d'un ongle avec une épine dorsale en polycaprolactone biodégradable qui permet au patch d'être suturé en place. La lyophilisation fixe la taille des pores des disques, qui sont assez grands pour que les cellules cardiaques naturelles s'infiltrent et pour que les nutriments et les déchets passent à travers.

Comme avantage secondaire, les nanotubes renforcent également les patchs et réduisent leur tendance à gonfler tout en fournissant une poignée pour régler avec précision leur taux de dégradation, donner aux cœurs suffisamment de temps pour les remplacer par des tissus naturels, dit Jacot.

"S'il y a un trou dans le cœur, un patch doit supporter toute la contrainte mécanique, " dit-il. " Ça ne peut pas se dégrader trop vite, mais il ne peut pas non plus se dégrader trop lentement, car cela finirait par devenir du tissu cicatriciel. Nous voulons éviter cela."

Pasquali a noté que l'expertise en nanotechnologie de Rice et l'adhésion au Texas Medical Center offrent une grande synergie. "C'est un bon exemple de la façon dont il est beaucoup mieux pour une personne chargée de l'application comme le Dr Jacot de travailler avec des experts qui savent comment manipuler les nanotubes, plutôt que d'essayer d'aller en solo, comme beaucoup le font, " a-t-il dit. " On se retrouve avec un bien meilleur contrôle du matériel. L'inverse est également vrai, bien sûr, et travailler avec des leaders dans le domaine biomédical peut vraiment accélérer le chemin vers l'adoption de ces nouveaux matériaux."