Contrairement aux électrodes standard qui sont constituées de composants métalliques rigides, l'électrode d'hydrogel réalise une conduction électrique via une combinaison de nanotubes de carbone et de flocons de graphène intégrés dans un hydrogel d'alginate ultra-flexible. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard
Les réseaux d'électrodes métalliques sont souvent utilisés dans les procédures médicales qui nécessitent de surveiller ou de délivrer des impulsions électriques dans le corps, comme la chirurgie cérébrale et la cartographie de l'épilepsie. Cependant, les matériaux métalliques et plastiques qui les composent sont rigides et inflexibles tandis que les tissus du corps sont mous et malléables. Cette inadéquation limite les endroits dans lesquels les réseaux d'électrodes peuvent être utilisés avec succès, et nécessite également l'application d'une grande quantité de courant électrique afin de "sauter" l'espace entre une électrode et sa cible.
Inspiré par les propriétés physiques uniques des tissus humains vivants, une équipe de scientifiques du Wyss Institute de Harvard et de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a créé flexible, des matrices d'électrodes sans métal qui épousent parfaitement les innombrables formes du corps, des plis profonds du cerveau aux nerfs fibreux du cœur. Cette étreinte étroite permet d'enregistrer et de stimuler les impulsions électriques avec des tensions requises inférieures, permet leur utilisation dans les zones difficiles d'accès du corps, et minimise le risque de dommages aux organes délicats.
"Nos électrodes à base d'hydrogel prennent magnifiquement la forme du tissu sur lequel elles sont placées, et ouvrir la porte à la création facile de moins invasifs, dispositifs médicaux personnalisés, " a déclaré la première auteure Christina Tringides, un étudiant diplômé du Wyss Institute et du Harvard Biophysics Program. La réalisation est signalée dans Nature Nanotechnologie .
La première auteure, Christina Tringides, tient un modèle de cerveau avec son électrode flexible en hydrogel. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard
Un dispositif médical inspiré du corps humain
L'une des caractéristiques de tous les tissus vivants, en particulier le cerveau et la moelle épinière, c'est qu'ils sont "viscoélastiques", c'est-à-dire ils reprendront leur forme d'origine si une pression leur est appliquée puis relâchée, mais se déformera de façon permanente en une nouvelle forme si la pression est appliquée en continu. Un exemple courant est la mesure des oreilles, dans lequel placer une jauge de plus en plus grande dans une oreille percée étire le trou dans le lobe de l'oreille au fil du temps.
Tringides et son équipe ont réalisé que les hydrogels d'alginate, qui ont été développés au Wyss Institute pour un certain nombre de fonctions, notamment les adhésifs chirurgicaux et l'encapsulation à cellule unique, sont également viscoélastiques, et a estimé qu'ils devraient être capables de les ajuster pour correspondre à la viscoélasticité des tissus. Compte tenu de sa formation en ingénierie neuronale, Tringides a décidé d'essayer de créer des électrodes entièrement viscoélastiques qui pourraient correspondre à la viscoélasticité du cerveau pour une surveillance neuroélectrique plus sûre et plus efficace. Les électrodes standard sont constituées de réseaux conducteurs métalliques contenus dans un film plastique mince, et sont jusqu'à un million de fois plus rigides que le cerveau.
Une image au microscope électronique à balayage (MEB) montre un gros plan des flocons de graphène et des composants des nanotubes de carbone de l'électrode. Ces matériaux s'entrecroisent en de nombreux points, créant un chemin continu pour le flux de courant électrique. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard
La première tâche de l'équipe était de tester si leurs hydrogels d'alginate pouvaient se conformer avec succès aux tissus vivants. Après avoir expérimenté différents types d'hydrogels, ils ont opté pour une version qui correspondait le plus aux propriétés mécaniques du tissu cérébral et cardiaque. Ils ont ensuite placé leur hydrogel sur un faux "cerveau" fabriqué à partir d'agarose ressemblant à de la gélatine, et comparé ses performances à celles d'un matériau plastique et d'un matériau élastique.
L'hydrogel d'alginate avait deux fois plus de contact avec le faux cerveau sous-jacent par rapport aux autres matériaux, et a même pu pénétrer dans certains des nombreux sillons profonds du cerveau. Quand ils ont laissé les matériaux sur les faux cerveaux pendant deux semaines, le matériau élastique s'était sensiblement déplacé de son emplacement d'origine et a immédiatement repris sa forme d'origine lorsqu'il a été retiré du tissu factice sous-jacent. En revanche, l'hydrogel d'alginate est resté en place tout le temps et a conservé sa forme de cerveau après le retrait.
Aller dans le sens du courant
Maintenant que l'équipe disposait d'un matériau qui pouvait fléchir et s'écouler autour des tissus, ils ont dû inventer une électrode qui pourrait faire la même chose. La grande majorité des électrodes sont en métal car les métaux sont très conducteurs de l'électricité, mais aussi très rigides et inflexibles.
Après de nombreuses expériences et des nuits tardives dans le laboratoire, l'équipe a identifié une combinaison de flocons de graphène et de nanotubes de carbone comme leur meilleur candidat. "Une partie de l'avantage de ces matériaux est leur forme longue et étroite. C'est un peu comme jeter une boîte de spaghettis crus sur le sol - parce que les nouilles sont toutes longues et fines, ils sont susceptibles de se croiser à plusieurs endroits. Si vous jetez quelque chose de plus court et de plus rond sur le sol, comme le riz, beaucoup de grains ne se toucheront pas du tout, " dit Tringides.
Lorsque ces matériaux ressemblant à des spaghettis ont été intégrés dans les hydrogels d'alginate, ils se sont frayés un chemin à travers le gel pour créer poreux, voies conductrices par lesquelles l'électricité pourrait circuler. Ces électrodes flexibles peuvent être pliées à plus de 180 degrés et nouées sans se casser, ce qui en fait un partenaire idéal pour l'hydrogel d'alginate viscoélastique.
L'électrode hydrogel peut « couler » pour s'adapter aux nombreuses surfaces inégales et crevasses du corps sans endommager les tissus délicats. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard. Il est montré ici sur un faux « cerveau » fait d'agarose gélatineuse. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard
Pour tout mettre ensemble, l'équipe a entouré sa nouvelle électrode conductrice d'une couche isolante d'un polymère de silicone auto-cicatrisant appelé PDMS, qui a ensuite été pris en sandwich entre deux couches de l'hydrogel d'alginate. Le dispositif résultant était très flexible, et peut être étiré jusqu'à 10 fois sa longueur sans se casser ni se déchirer. Lorsque des cellules cérébrales vivantes telles que des astrocytes et des neurones ont été cultivées sur les appareils, les cellules n'ont présenté aucun dommage ni aucun autre effet négatif, suggérant que le dispositif pourrait être utilisé en toute sécurité sur des tissus vivants.
Une gamme alternative pour des chirurgies plus sûres
L'équipe a ensuite testé son nouveau réseau d'électrodes viscoélastiques dans des conditions réelles en l'attachant à un cœur de souris. L'appareil est resté en place sur le tissu pendant qu'il se déplaçait, et est resté intact pendant des dizaines de milliers de contractions musculaires. Les chercheurs ont ensuite agrandi, attachant leur appareil à un cerveau de rat, un coeur de rat, et un coeur de vache, qui n'ont subi aucun dommage et aucun glissement de l'appareil, même lorsqu'il est plié à plus de 180 degrés. En revanche, un réseau d'électrodes du commerce n'est pas resté en contact avec le cœur de la vache lorsqu'il est plié à plus de 90 degrés.
Finalement, le réseau d'électrodes viscoélastiques a été utilisé avec succès pour stimuler les nerfs et enregistrer l'activité électrique in vivo. Lorsque l'appareil était attaché à la patte arrière d'une souris vivante, les chercheurs ont réussi à stimuler différents muscles pour qu'ils se contractent en faisant varier l'électrode qui délivrait la stimulation. Ils ont ensuite attaché leur appareil au cœur d'une souris et au cerveau d'un rat pendant les interventions chirurgicales. L'activité électrique du cœur et du cerveau a été enregistrée avec succès par l'appareil, qui a été plié pour s'attacher aux zones difficiles d'accès et n'a causé aucune blessure aux animaux pendant l'utilisation.
« La viscoélasticité de ce dispositif marque une nouvelle direction dans les dispositifs médicaux, qui sont généralement conçus pour être purement élastiques, " a déclaré l'auteur correspondant Dave Mooney, Doctorat., qui est membre du corps professoral de Wyss et leader de la plate-forme Immuno-Matériaux de l'Institut. « En adoptant l'approche inverse, nous pouvons nous connecter beaucoup plus étroitement avec les tissus du corps, permettant une interface plus fonctionnelle sans endommager les tissus. » Mooney est également professeur de bio-ingénierie de la famille Robert P. Pinkas à SEAS.
L'équipe continue de développer ses appareils, et travaille actuellement à les valider in vivo chez des animaux plus gros dans le but ultime de les rendre disponibles pour une utilisation lors de procédures médicales telles que la chirurgie d'ablation de tumeurs cérébrales et la cartographie de l'épilepsie. Ils espèrent également que cette nouvelle technologie permettra d'effectuer des enregistrements et des stimulations électriques dans des parties du corps actuellement inaccessibles par les appareils disponibles dans le commerce.
"J'aime la pensée originale que cette équipe a utilisée pour résoudre le problème des électrodes semi-rigides en remettant en question l'hypothèse selon laquelle elles devaient être faites de métal et de plastique solide pour être efficaces. Ce genre de réflexion sur la conception, résolution de problème, et l'appréciation de l'importance de faire correspondre la mécanique des systèmes vivants est ce que nous nous efforçons de cultiver et d'encourager à l'Institut Wyss, et c'est un excellent exemple des avantages que l'on peut en retirer, " dit Don Ingber, MARYLAND., Doctorat., le directeur fondateur du Wyss Institute.
