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Les muscles bioniques s'endurcissent
Les tissus du cœur sont mécaniquement résistants et électriquement conducteurs, et ils gardent un rythme fort et rythmique, des propriétés difficiles à imiter en laboratoire. Mais un nouveau matériau hybride qui combine un gel respectueux des cellules, des nanotubes de carbone solides et conducteurs et des cellules cardiaques vivantes imite le tissu cardiaque naturel avec plus de succès que les tentatives précédentes. Finalement, le nouveau matériau pourrait être utile dans les applications médicales et robotiques.
Les tissus bioniques, fabriqués par Ali Khademhosseini , professeur à la division des sciences et technologies de la santé de Harvard-MIT à Cambridge, dans le Massachusetts, pourrait servir de muscles pour les machines biologiques, des tissus vivants programmables en mouvement qui amènent la biologie synthétique au-delà des cellules individuelles. Beaucoup de choses que les tissus naturels et les cellules biologiques peuvent faire, comme détecter et réagir à leur environnement, sont difficiles à réaliser pour les ingénieurs avec les matériaux synthétiques utilisés dans la robotique conventionnelle. Les chercheurs espèrent que la construction de machines à partir de matériaux biologiques comme le tissu cardiaque élargira ce qui est possible. Les nouveaux tissus peuvent nager sans attaches dans l'eau, se balancer d'avant en arrière et effectuer d'autres mouvements programmés en contrôlant leur forme et leur épaisseur.
S'il s'avère que ces matériaux sont sans danger pour le corps humain, ils pourraient également être utilisés pour réparer les tissus endommagés par les crises cardiaques. Les chercheurs qui fabriquent des tissus cardiaques en laboratoire utilisent souvent des polymères et des gels pour fournir aux cellules cardiaques un environnement dans lequel elles se développeront et se comporteront comme elles le font dans le corps. Les matériaux résultants ont deux défauts critiques, dit Khademhosseini. Ils ne correspondent pas à la conductivité électrique du tissu cardiaque et ne sont pas aussi résistants mécaniquement.
Lorsque le cœur bat, les cellules réagissent à cette force mécanique et libèrent des produits chimiques qui favorisent la croissance, explique Thomas Webster , ingénieur chimiste à la Northeastern University de Boston, qui n'a pas participé aux travaux. Et si le patch est moins conducteur que le reste du cœur, les signaux électriques peuvent subir des retards. Si un patch sans les bonnes propriétés est placé sur le cœur d'un patient, il risque de ne pas se développer correctement et de ne pas pouvoir battre en rythme avec le reste du cœur, explique Webster.
Le groupe de Cambridge résout ce problème en ajoutant des nanotubes de carbone aux gels d'ingénierie tissulaire. Le résultat est un gel spongieux avec un enchevêtrement de fibres de carbone solides et conductrices incrustées. Khademhosseini a ensemencé des cellules cardiaques sur ces gels et étudié leurs propriétés. Les tissus bioniques avaient une élasticité similaire à celle du cœur de rat, beaucoup plus élastique que les matériaux précédents fabriqués en laboratoire. Ils avaient également une bien meilleure conductivité. Et les tissus étaient meilleurs dans le travail principal du tissu cardiaque, battant en synchronie. Khademhosseini a exposé le tissu bionique à divers produits chimiques et a découvert qu'il était relativement résistant aux dommages, peut-être parce que les nanotubes de carbone fournissent des liens électriques entre les cellules qui peuvent maintenir la communication même en cas de stress. Ce travail est décrit en ligne dans la revue ACS Nano .
Webster dit qu'avant que toute application médicale puisse être envisagée, les chercheurs devront démontrer que les nanotubes de carbone ne sont pas toxiques, d'autant plus qu'ils ne sont pas biodégradables et qu'ils seraient susceptibles de rester longtemps dans le corps. Il note que même si les matériaux carbonés eux-mêmes sont sûrs, le processus de fabrication des nanotubes pourrait laisser des traces de catalyseurs métalliques toxiques.
Khademhosseini dit que la première utilisation des matériaux peut être dans des machines biologiques utilisées pour évaluer et restaurer des environnements toxiques ou réparer des bâtiments. L'année dernière, des chercheurs ont démontré méduse en nage libre -comme des robots et machines biologiques ambulantes construit à partir de tissus cardiaques et de polymères. Mais sans matériaux conducteurs, leurs applications sont limitées, ditRachid Bashir, un bio-ingénieur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui a fabriqué le robot marcheur. Si vous pouvez modeler le matériau de base, vous pouvez créer des circuits à l'intérieur, dit-il.