Des chercheurs de Planck à Stuttgart ont construit un minuscule sous-marin, représenté sur le dessin de droite. Petits aimants, montré ici sous forme de cylindres rouges et bleus, ouvrir et fermer les deux moitiés (coques) de l'appareil. Crédit :Alejandro Posada / MPI pour les systèmes intelligents
Des micro-ou même des nano-robots pourraient un jour effectuer des tâches médicales dans le corps humain. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart ont maintenant fait un premier pas vers cet objectif. Ils ont réussi à construire des corps nageurs qui répondent simultanément à deux exigences :ils sont suffisamment petits pour être utilisés dans des fluides corporels ou même des cellules individuelles, et ils sont capables de naviguer à travers des fluides biologiques complexes.
Dans le film de 1966 Voyage fantastique, un sous-marin complet avec équipage est réduit en taille afin qu'il puisse naviguer à travers le corps humain, permettant à l'équipage d'effectuer une intervention chirurgicale dans le cerveau. Ce scénario reste du domaine de la science-fiction, et transporter une équipe chirurgicale sur un site pathologique restera certainement une fiction. Néanmoins, de minuscules sous-marins qui pourraient naviguer à travers le corps pourraient être d'une grande utilité :ils pourraient livrer des médicaments précisément à un endroit cible, un point sur la rétine par exemple. Et ils pourraient permettre de réaliser une thérapie génique dans une cellule spécifique.
Si les choses se passent selon Peer Fischer, chef du Micro, Groupe de recherche sur les systèmes nano et moléculaires de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents à Stuttgart, puis, dans un avenir prévisible, les médecins feront appel à des micro- voire nano-robots pour effectuer ces tâches. Les petits assistants se focalisaient avec précision sur des cibles dans le corps, éliminant le besoin d'une intervention chirurgicale plus lourde, ou en rendant certaines procédures peu invasives.
Un pétoncle microscopique ne pouvait pas nager dans l'eau
Cependant, il y a deux défis fondamentaux pour atteindre ces objectifs. Évidemment, ces véhicules doivent être suffisamment petits pour être injectés dans le globe oculaire, par exemple, avec une seringue. Deuxièmement, une fois introduit dans le corps, ils doivent être capables de se déplacer dans les fluides corporels et les tissus. Sur les deux fronts, le groupe de recherche dirigé par Peer Fischer a maintenant fait des progrès significatifs.
En collaboration avec des chercheurs du Technion en Israël et de l'Université technique de Dortmund, le groupe basé à Stuttgart décrit dans un article récent une sorte de coquille Saint-Jacques artificielle de quelques centaines de micromètres de diamètre. Ils l'ont conçu pour que l'appareil voyage dans les liquides en ouvrant et fermant simplement ses coques. Ce n'est pas aussi évident qu'il y paraît. "La coquille n'est que quelques fois plus grosse que l'épaisseur d'un cheveu humain, " dit Fischer. " Un liquide comme l'eau est à peu près aussi visqueux pour ces appareils que le miel ou même le goudron l'est pour nous. " Et avec autant de friction dans les fluides, mouvements symétriques, comme l'ouverture et la fermeture réciproques d'une coquille Saint-Jacques, n'entraînerait aucune propulsion vers l'avant. Les mouvements de va-et-vient provoqués par les mouvements opposés s'annuleraient tout simplement.
Pour cette raison, la micro-coquille en effet ne bougerait pas de l'endroit. Cependant, car les chercheurs ont à terme jeté leur dévolu sur l'utilisation de l'appareil dans des milieux biologiques, ils ont testé leur nageur directement dans des fluides modèles appropriés. Ceux-ci ont des caractéristiques qui les distinguent de l'eau. "La plupart des fluides corporels ont la propriété que leur viscosité change en fonction de la vitesse de mouvement, " dit Fischer. " Dans le liquide synovial trouvé dans les articulations, par exemple, les molécules d'acide hyaluronique s'organisent en structures en forme de réseau qui entraînent une viscosité élevée. Mais dès que quelque chose bouge dans ce fluide, le maillage moléculaire se brise et le fluide devient moins visqueux".
La commande magnétique est utilisée pour ouvrir et fermer la coquille Saint-Jacques
Une petite coquille Saint-Jacques qui nage, ce qu'elle ne pourrait jamais faire dans l'eau. L'ouverture et la fermeture symétriques d'une coquille Saint-Jacques n'entraînent aucun mouvement net vers l'avant dans les liquides, comme l'eau. Cependant, la micro-coquille est capable de progresser dans des milieux dont la viscosité change avec la vitesse du mouvement. Les chercheurs basés à Stuttgart ont testé l'appareil dans de tels fluides et l'ont observé au microscope. Crédit :Tian Qiu / MPI pour les systèmes intelligents
Les scientifiques ont profité précisément de cette propriété fluide. Ils contrôlent la coquille Saint-Jacques pour qu'elle s'ouvre beaucoup plus vite qu'elle ne se ferme. "Ce modèle de mouvement temporellement asymétrique rend le fluide moins visqueux lors de l'ouverture que lors de la course de fermeture ultérieure, " dit le doctorant Tian Qiu, membre de l'équipe de Stuttgart. Ainsi la distance parcourue par la coquille Saint-Jacques à l'ouverture n'est pas la même que celle qu'elle recule à la fermeture, et cela provoque une propulsion nette vers l'avant. C'est la première fois qu'un appareil artificiel de cette taille est capable de se déplacer dans des fluides au moyen de cycles de mouvement symétriques, dit Tian Qiu.
Pour contrôler leurs micro-nageurs, les chercheurs ont intégré de minuscules aimants de terres rares dans les deux coquilles Saint-Jacques. Cela leur permet de contrôler la façon dont les coquilles de pétoncles s'ouvrent et se ferment - et finalement comment l'appareil se déplace - en appliquant un champ magnétique externe. Cependant, la découverte des chercheurs selon laquelle les micro-dispositifs peuvent nager à travers certains liquides avec des mouvements symétriques ne s'applique pas seulement aux micro-robots à entraînement magnétique. En effet, un sous-marin miniature en forme de coquille Saint-Jacques pourrait également être entraîné par un actionneur qui répond, par exemple, aux changements de température.
La véritable micro-pétoncle était faite d'un plastique relativement dur. Le défi était de rendre les coquilles extrêmement fines, mais en même temps suffisamment solides pour qu'ils restent rigides dans un milieu visqueux.
Les scientifiques, qui ont publié leur travail dans Communication Nature , veulent mettre leurs micro-nageurs à l'épreuve dans des fluides biologiques spécifiques. "We're interested in the next step, for example whether we can also guide this robot through the extracellular matrix of a tissue, " says Peer Fischer.
A nano-screw acts as a propeller
Propeller-driven nano-submarine:The researchers in Stuttgart incorporated a magnetic material in the tiny propeller and spun it by applying a rotating magnetic field so that it rotates and thus drills its way through a liquid. Credit:Debora Schamel / MPI for Intelligent Systems
This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Cependant, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Maintenant, pour la première fois, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.
To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.
As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Pour cette raison, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.
Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, par exemple, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Théoriquement, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.
Donc, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.
