Dans le film de science-fiction campy de 1966 "Voyage fantastique, " Des scientifiques miniaturisent un sous-marin avec eux-mêmes à l'intérieur et voyagent à travers le corps d'un collègue pour briser un caillot de sang potentiellement mortel. D'accord. Les micro-humains à part, imaginez l'inflammation que provoquerait le métal sous-marin.

Idéalement, les dispositifs médicaux injectables ou implantables ne doivent pas seulement être petits et électriquement fonctionnels, ils doivent être moelleux, comme les tissus du corps avec lesquels ils interagissent. Les scientifiques de deux laboratoires UChicago ont cherché à voir s'ils pouvaient concevoir un matériau avec ces trois propriétés.

Le matériel qu'ils ont trouvé, publié en ligne le 27 juin 2016, dans Matériaux naturels , constitue la base d'un ingénieux dispositif injectable activé par la lumière qui pourrait éventuellement être utilisé pour stimuler les cellules nerveuses et manipuler le comportement des muscles et des organes.

"La plupart des matériaux traditionnels pour implants sont très rigides et volumineux, surtout si vous voulez faire de la stimulation électrique, " dit Boji Tian, un professeur assistant en chimie dont le laboratoire a collaboré avec celui du neuroscientifique Francisco Bezanilla sur la recherche.

Le nouveau matériel, en revanche, est doux et minuscule - des particules de quelques micromètres de diamètre (beaucoup moins que la largeur d'un cheveu humain) qui se dispersent facilement dans une solution saline afin qu'elles puissent être injectées. Les particules se dégradent aussi naturellement à l'intérieur du corps après quelques mois, donc aucune intervention chirurgicale ne serait nécessaire pour les retirer.

« éponge » à l'échelle nanométrique

Chaque particule est constituée de deux types de silicium qui forment ensemble une structure pleine de pores à l'échelle nanométrique, comme une petite éponge. Et comme une éponge, il est spongieux, cent à mille fois moins rigide que le silicium cristallin bien connu utilisé dans les transistors et les cellules solaires. "C'est comparable à la rigidité des fibres de collagène de notre corps, " a déclaré Yuanwen Jiang, L'étudiant diplômé de Tian. "Nous créons donc un matériau qui correspond à la rigidité du vrai tissu."

Le matériau constitue la moitié d'un dispositif électrique qui se crée spontanément lorsqu'une des particules de silicium est injectée dans une culture cellulaire, ou, finalement, un corps humain. La particule s'attache à une cellule, faire une interface avec la membrane plasmique de la cellule. Ces deux éléments réunis (membrane cellulaire et particule) forment une unité qui génère du courant lorsque la lumière est dirigée sur la particule de silicium.

"Vous n'avez pas besoin d'injecter l'ensemble du dispositif, il vous suffit d'injecter un composant, " João L. Carvalho-de-Souza , dit le postdoc de Bezanilla. "Cette connexion de particule unique avec la membrane cellulaire permet une génération suffisante de courant qui pourrait être utilisé pour stimuler la cellule et modifier son activité. Après avoir atteint votre objectif thérapeutique, le matériau se dégrade naturellement. Et si tu veux refaire une thérapie, tu fais une autre injection."

Les scientifiques ont construit les particules en utilisant un processus qu'ils appellent nano-moulage. Ils fabriquent un moule en dioxyde de silicium composé de minuscules canaux - des "nano-fils" - d'environ sept nanomètres de diamètre (moins de 10, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain) reliés par des "micro-ponts" beaucoup plus petits. Dans le moule, ils injectent du gaz silane, qui remplit les pores et les canaux et se décompose en silicium.

Et c'est là que les choses deviennent particulièrement rusées. Les scientifiques exploitent le fait que plus un objet est petit, plus les atomes à sa surface dominent ses réactions à ce qui l'entoure. Les micro-ponts sont minuscules, donc la plupart de leurs atomes sont à la surface. Ceux-ci interagissent avec l'oxygène présent dans le moule en dioxyde de silicium, créer des micro-ponts en silicium oxydé glané à partir de matériaux à portée de main. Les nano-fils beaucoup plus gros ont proportionnellement moins d'atomes de surface, sont beaucoup moins interactifs, et restent majoritairement du silicium pur.

"C'est la beauté des nanosciences, " a déclaré Jiang. " Cela vous permet de créer des compositions chimiques simplement en manipulant la taille des choses. "

Nanostructure de type Web

Finalement, la moisissure est dissoute. Ce qui reste est une structure en forme de toile de nano-fils de silicium reliés par des micro-ponts de silicium oxydé qui peuvent absorber l'eau et aider à augmenter la douceur de la structure. Le silicium pur conserve sa capacité à absorber la lumière.

Les scientifiques ont ajouté les particules sur des neurones en culture en laboratoire, a fait la lumière sur les particules, et vu le flux de courant dans les neurones qui active les cellules. La prochaine étape est de voir ce qui se passe chez les animaux vivants. Ils s'intéressent particulièrement à la stimulation des nerfs du système nerveux périphérique qui se connectent aux organes. Ces nerfs sont relativement proches de la surface du corps, ainsi la lumière de longueur d'onde proche infrarouge peut les atteindre à travers la peau.

Tian imagine utiliser les dispositifs activés par la lumière pour concevoir des tissus humains et créer des organes artificiels pour remplacer ceux endommagés. Actuellement, les scientifiques peuvent fabriquer des organes artificiels avec la forme correcte mais pas la fonction idéale.

Pour qu'un organe construit en laboratoire fonctionne correctement, ils devront être capables de manipuler des cellules individuelles dans le tissu modifié. Le dispositif injectable permettrait à un scientifique de le faire, peaufiner une cellule individuelle à l'aide d'un faisceau de lumière étroitement focalisé comme un mécanicien atteignant un moteur et tournant un seul boulon. La possibilité de faire ce genre de biologie synthétique sans génie génétique est séduisante.

"Personne ne veut que sa génétique soit modifiée, " dit Tian. " Cela peut être risqué. Il existe un besoin pour un système non génétique qui puisse encore manipuler le comportement cellulaire. Cela pourrait être ce genre de système."

L'étudiant diplômé de Tian, ​​Yuanwen Jiang, a réalisé le développement et la caractérisation des matériaux du projet. La partie biologique de la collaboration a été réalisée dans le laboratoire de Francisco Bezanilla, le professeur Lillian Eichelberger Cannon de biochimie et de biologie moléculaire, par le postdoctorant João L. Carvalho-de-Souza. Ils étaient, dit Tian, les « héros » de l'œuvre.