Mélanie Thomas
Certains implants sont durs et volumineux, tandis que d’autres sont souples et minces. Mais peu importe leur forme et leur fonction, presque tous les implants intègrent des électrodes – de petits éléments conducteurs qui se fixent directement aux tissus cibles pour stimuler électriquement les muscle tissues et les nerfs.
Les électrodes implantables sont majoritairement constituées de métaux rigides par nature électriquement conducteurs. Mais avec le temps, les métaux peuvent aggraver les tissus, provoquant des cicatrices et une swelling qui, à leur tour, peuvent dégrader les performances d’un implant.
Maintenant, les ingénieurs du MIT ont développé un matériau sans métal, semblable à de la gelée, aussi doux et résistant que les tissus biologiques et qui peut conduire l’électricité de la même manière que les métaux conventionnels. Le matériau peut être transformé en une encre imprimable, que les chercheurs ont modelée en électrodes flexibles et caoutchouteuses. Le nouveau matériau, qui est un form d’hydrogel polymère conducteur haute effectiveness, pourrait un jour remplacer les métaux en tant qu’électrodes fonctionnelles à foundation de gel, avec l’apparence et la feeling d’un tissu biologique.
“Ce matériau fonctionne de la même manière que les électrodes métalliques mais est fabriqué à partir de gels similaires à notre corps et avec une teneur en eau similaire”, explique Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, co-fondateur de SanaHeal, une startup de dispositifs médicaux. “C’est comme un tissu ou un nerf artificiel.”
“Nous pensons que pour la première fois, nous disposons d’une électrode dure et robuste de type Jell-O qui peut potentiellement remplacer le métal pour stimuler les nerfs et l’interface avec le cœur, le cerveau et d’autres organes du corps”, ajoute Xuanhe Zhao, professeur de génie mécanique et de génie civil et environnemental au MIT.
Zhao, Yuk et d’autres au MIT et ailleurs rapportent leurs résultats dans Mother nature Resources. Les co-auteurs de l’étude comprennent le premier auteur et ancien write-up-doctorant du MIT, Tao Zhou, qui est maintenant professeur adjoint à la Penn State College, et des collègues de la Jiangxi Science and Technological know-how Normal University et de la Shanghai Jiao Tong University.
Un vrai défi
La grande majorité des polymères sont isolants par mother nature, c’est-à-dire que l’électricité ne les traverse pas facilement. Mais il existe une petite classe spéciale de polymères qui peuvent en fait faire passer des électrons à travers leur masse. Certains polymères conducteurs ont montré pour la première fois une conductivité électrique élevée dans les années 1970 – un travail qui a ensuite été récompensé par un prix Nobel de chimie.
Récemment, des chercheurs, dont ceux du laboratoire de Zhao, ont essayé d’utiliser des polymères conducteurs pour fabriquer des électrodes souples sans métal à utiliser dans des implants bioélectroniques et d’autres dispositifs médicaux. Ces attempts ont visé à fabriquer des films et des patchs doux mais résistants, électriquement conducteurs, principalement en mélangeant des particules de polymères conducteurs, avec de l’hydrogel – un kind de polymère doux et spongieux riche en eau.
Les chercheurs espéraient que la combinaison de polymère conducteur et d’hydrogel donnerait un gel adaptable, biocompatible et électriquement conducteur. Mais les matériaux fabriqués à ce jour étaient soit trop faibles et cassants, soit ils présentaient de mauvaises performances électriques.
“Dans les matériaux en gel, les propriétés électriques et mécaniques se combattent toujours”, explique Yuk. “Si vous améliorez les propriétés électriques d’un gel, vous devez sacrifier les propriétés mécaniques, et vice versa. Mais en réalité, nous avons besoin des deux : un matériau doit être conducteur, mais aussi extensible et robuste. C’était le véritable défi et la raison pour laquelle les gens ne pourrait pas transformer les polymères conducteurs en dispositifs fiables entièrement fabriqués à partir de gel.”
Spaghettis électriques
Dans leur nouvelle étude, Yuk et ses collègues ont découvert qu’ils avaient besoin d’une nouvelle recette pour mélanger des polymères conducteurs avec des hydrogels de manière à améliorer à la fois les propriétés électriques et mécaniques des ingrédients respectifs.
“Auparavant, les gens comptaient sur un mélange homogène et aléatoire des deux matériaux”, explique Yuk.
De tels mélanges ont produit des gels constitués de particules de polymère dispersées de manière aléatoire. Le groupe s’est rendu compte que pour préserver les forces électriques et mécaniques du polymère conducteur et de l’hydrogel respectivement, les deux ingrédients devaient être mélangés de manière à ce qu’ils se repoussent légèrement – un état connu sous le nom de séparation de period. Dans cet état légèrement séparé, chaque ingrédient pourrait alors lier ses polymères respectifs pour former de longs brins microscopiques, tout en se mélangeant dans son ensemble.
“Imaginez que nous fabriquons des spaghettis électriques et mécaniques”, propose Zhao. “Les spaghettis électriques sont le polymère conducteur, qui peut désormais transmettre l’électricité à travers le matériau auto il est continu. Et les spaghettis mécaniques sont l’hydrogel, qui peut transmettre des forces mécaniques et être résistant et extensible vehicle il est également continu.”
Les chercheurs ont ensuite peaufiné la recette pour faire cuire le gel spaghettifié dans une encre, qu’ils ont alimentée à travers une imprimante 3D, et imprimé sur des films d’hydrogel pur, dans des motifs similaires aux électrodes métalliques conventionnelles.
“Parce que ce gel est imprimable en 3D, nous pouvons personnaliser les géométries et les formes, ce qui facilite la fabrication d’interfaces électriques pour toutes sortes d’organes”, explique le premier auteur Zhou.
Les chercheurs ont ensuite implanté les électrodes imprimées de kind Jell-O sur le cœur, le nerf sciatique et la moelle épinière de rats. L’équipe a testé les performances électriques et mécaniques des électrodes chez les animaux pendant jusqu’à deux mois et a constaté que les appareils restaient stables tout au prolonged, avec peu d’inflammation ou de cicatrisation des tissus environnants. Les électrodes étaient également capables de relayer les impulsions électriques du cœur vers un moniteur externe, ainsi que de délivrer de petites impulsions au nerf sciatique et à la moelle épinière, qui à leur tour stimulaient l’activité motrice des muscle tissues et des membres associés.
À l’avenir, Yuk envisage qu’une software immédiate du nouveau matériel pourrait concerner les personnes qui se remettent d’une chirurgie cardiaque.
“Ces sufferers ont besoin de quelques semaines d’assistance électrique pour éviter une crise cardiaque comme effet secondaire de la chirurgie”, explique Yuk. “Ainsi, les médecins cousent une électrode métallique à la surface area du cœur et la stimulent pendant des semaines. Nous pouvons remplacer ces électrodes métalliques par notre gel pour minimiser les complications et les effets secondaires que les gens acceptent actuellement.”
L’équipe travaille à prolonger la durée de vie et les performances du matériau. Ensuite, le gel pourrait être utilisé comme interface électrique douce entre les organes et les implants à additionally extensive terme, y compris les stimulateurs cardiaques et les stimulateurs du cerveau profond.
“L’objectif de notre groupe est de remplacer le verre, la céramique et le métal à l’intérieur du corps par quelque chose comme Jell-O, donc c’est moreover bénin mais de meilleures performances et peuvent durer longtemps”, explique Zhao. “C’est notre espoir.”
Cette recherche est soutenue, en partie, par les Countrywide Institutes of Health.
