Chercheurs de l'Institut de Chimie de l'Université de Campinas (IQ-UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil, ont développé une technique sans gabarit pour fabriquer des cils de différentes tailles qui imitent les fonctions biologiques et ont de multiples applications, de diriger des fluides dans des microcanaux au chargement de matériau dans une cellule, par exemple. Les cils très flexibles sont à base de nanoparticules d'oxyde de fer enrobées de polymère, et leur mouvement peut être contrôlé par un aimant.

Dans la nature, les cils sont des structures microscopiques ressemblant à des cheveux que l'on trouve en grand nombre à la surface de certaines cellules, provoquant des courants dans le fluide environnant ou, chez certains protozoaires et autres petits organismes, assurant la propulsion.

Pour fabriquer les nanostructures allongées sans utiliser de gabarit, Watson Loh et la boursière postdoctorale Aline Grein-Iankovski ont recouvert des particules d'oxyde de fer (γ-Fe 2 O 3 , connue sous le nom de maghémite) avec une couche d'un polymère contenant des groupes acide phosphonique thermosensibles et synthétisé sur mesure par une entreprise spécialisée. La technique tire parti de l'affinité de liaison des groupes acide phosphonique aux surfaces d'oxyde métallique, fabriquer les cils au moyen d'un contrôle de la température et de l'utilisation d'un champ magnétique.

"Les matériaux ne se lient pas à température ambiante ou à peu près, et forment un bloc sans le stimulus d'un champ magnétique, " expliqua Loh. " C'est l'effet du champ magnétique qui leur donne la forme allongée d'un cil. "

Grein-Iankovski a commencé avec des particules stables en solution et a eu l'idée d'obtenir les cils lors d'une tentative d'agrégation du matériau. "Je préparais des filaments allongés lâches en solution et j'ai pensé à changer le champ de direction, " se souvient-elle. " Au lieu de les orienter parallèlement à la lame de verre, Je les ai placés en position perpendiculaire et j'ai constaté qu'ils avaient alors tendance à migrer vers la surface du verre. J'ai réalisé que si je les forçais à coller au verre, Je pourrais obtenir un autre type de matériau qui ne serait pas lâche :son mouvement serait ordonné et collaboratif."

Le polymère thermosensible se lie à la surface des nanoparticules et les organise en filaments allongés lorsque le mélange est chauffé et exposé à un champ magnétique. La transition se produit à une température biologiquement compatible (environ 37 °C). Les cils magnétiques résultants sont "remarquablement flexibles", elle a ajouté. En augmentant la concentration des nanoparticules, leur longueur peut varier de 10 à 100 microns. Un micron (μm) est un millionième de mètre.

"L'avantage de ne pas utiliser de modèle est de ne pas être soumis aux limitations de cette méthode, comme la taille, par exemple, " expliqua Grein-Inakovski. " Dans ce cas, pour produire de très petits cils, il faudrait créer des gabarits avec des trous microscopiques, ce qui serait extrêmement laborieux. Les ajustements de la densité de la couche et de la taille du cil nécessiteraient de nouveaux modèles. Un gabarit différent doit être utilisé pour chaque épaisseur de produit fini. Par ailleurs, l'utilisation d'un gabarit ajoute une autre étape à la production de cils, qui est la fabrication du gabarit lui-même."

Grein-Iankovski est l'auteur principal d'un article publié dans Le Journal de Chimie Physique C sur l'invention, qui faisait partie d'un Projet Thématique soutenu par la FAPESP, avec Loh comme chercheur principal.

"Le projet thématique implique quatre groupes qui étudient comment les molécules et les particules sont organisées au niveau colloïdal, sens au niveau de très petites structures. Notre approche est d'essayer de trouver des moyens de contrôler ces molécules afin qu'elles s'agrègent en réponse à un stimulus externe, donnant naissance à différentes formes avec une gamme d'utilisations différentes, " Loh dit.

Réversibilité

Une fois le champ magnétique supprimé, le matériau reste agrégé pendant au moins 24 heures. Il se désagrège ensuite à une vitesse qui dépend de la température à laquelle il a été préparé. « Plus la température est élevée, plus l'effet est intense et plus il reste longtemps agrégé en dehors du champ magnétique, " a déclaré Grein-Iankovski.

D'après Loh, la réversibilité du matériau est un point positif. "Dans notre vision, être capable d'organiser et de désorganiser le matériel, pour « allumer et éteindre le système », est un avantage, " Loh a dit. " Nous pouvons ajuster la température, combien de temps il reste agrégé, longueur du cil, et la densité du pelage. Nous pouvons personnaliser le matériau pour de nombreux types d'utilisation différents, l'organiser et le façonner à des fins spécifiques. Je crois que les applications potentielles sont innombrables, des utilisations biologiques aux utilisations physiques, y compris les applications de la science des matériaux.

Autre atout majeur, Grein-Iankovski a ajouté, est la possibilité de manipuler le matériel à l'extérieur, où l'outil utilisé pour le faire n'est pas à l'intérieur du système. "The filaments can be used to homogenize and move particles in a fluid microsystem, in microchannels, simply by approaching a magnet from the outside. They can be made to direct fluid in this way, par exemple."

The cilia can also be used in sensors, in which the particles respond to stimuli from a molecule, or to feed microscopic living organisms. "Ultimately it's possible to feed a microorganism or cell with loose cilia, which cross the cell membrane under certain conditions. They can be made to enter a cell, and a magnetic field is applied to manipulate their motion inside the cell, " Loh said.

For more than ten years, Loh has collaborated with Jean-François Berret at Paris Diderot University (Paris 7, France) in research on the same family of polymers to obtain elongated materials for use in the biomedical field. "We're pursuing other partnerships to explore other possible uses of the cilia, " il a dit.

The scientists now plan to include a chemical additive in the nanostructures that will bind the particles chemically, obtaining cilia with a higher mechanical strength that remain functional for longer when not exposed to a magnetic field, if this is desirable.