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Polymère adaptable inspiré des concombres de mer
Des scientifiques de l'Université Case Western ont fabriqué un biopolymère qui bascule rapidement entre les états rigide et flexible, en utilisant un matériau inspiré des concombres de mer. Le nouveau matériau se ramollit en présence d'un solvant à base d'eau et se raidit à mesure que le solvant s'évapore. Christoph Weder, chercheur principal et professeur de science et d'ingénierie macromoléculaires, déclare qu'un tel matériau peut être utile dans la conception d'électrodes implantables capables d'enregistrer l'activité cérébrale sur de longues périodes de temps, avec des cicatrices minimales par rapport aux électrodes conventionnelles.
Polymère intelligent : Les concombres de mer ont inspiré la conception d'un nouveau nano-composite qui passe rapidement de dur à mou. Le nouveau matériau pourrait être utilisé dans les microélectrodes neurales.
L'un des défis auxquels sont confrontés les chercheurs qui développent des implants neuronaux pour aider les patients paralysés est que les électrodes sont généralement en métal. Un tel matériau cassant et rigide peut endommager les tissus au fil du temps. (Voir Peau électronique extensible.) En effet, pendant quelques mois, l'extérieur dur de l'électrode frotte contre la matière cérébrale molle, provoquant la formation de tissu cicatriciel et diminuant considérablement la capacité d'enregistrement de l'électrode. Nous avons besoin d'une nouvelle génération d'électrodes différentes des électrodes métalliques habituelles qui produisent toutes sortes de dommages au bout d'un certain temps et ne fonctionnent plus, explique le professeur Emilio Bizzi du MIT Institute, qui n'a pas participé à l'étude.
Pour surmonter ce problème, Weder et ses collègues ont recherché des matériaux biocompatibles qui pourraient passer d'un état rigide à un état flexible, et ils ont trouvé un modèle idéal dans le concombre de mer. Alors qu'un concombre de mer se fraie un chemin à travers le fond de l'océan, sa structure souple le rend facile à se faufiler dans les fissures et les crevasses. Au premier signe de danger, sa peau se raidit, formant une armure rigide contre les prédateurs probables. Les chercheurs ont découvert que la peau du concombre de mer est composée d'un réseau ultrafin de fibres de cellulose, ou moustaches. En mode défensif, les cellules environnantes libèrent des molécules qui provoquent la liaison des moustaches, formant un bouclier rigide. À l'état détendu, d'autres cellules libèrent des protéines plastifiantes, desserrant les fibres et rendant la peau souple.
L'équipe de Weder a isolé des fibres de cellulose rigides du manteau des tuniciers, des créatures marines dont la peau ressemble à celle des concombres de mer. Les chercheurs ont ensuite combiné les fibres avec un mélange de polymères caoutchouteux. Les fibres formaient une matrice uniforme partout, renforçant le matériau polymère plus mou. Ces points d'intersection maintiennent le réseau ensemble, créant un matériau inflexible. C'est comme une toile tridimensionnelle dans laquelle ces nanofibres se chevauchent à certains endroits, et partout où elles se chevauchent, elles se collent les unes aux autres, explique Weder.
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Voir le concombre de mer et les matériaux qu'il a inspirés.
Il dit que les fibres de cellulose sont particulièrement efficaces pour se lier les unes aux autres car elles contiennent de nombreux groupes hydroxyle à leur surface. En l'absence de toute autre molécule contenant de l'hydrogène, ces groupes hydroxyle collent ensemble, formant une nappe fibreuse. Afin de briser les liaisons des fibres et de desserrer la toile, l'équipe de Weder a injecté un solvant à base d'eau dans le matériau qui contenait des groupes d'hydrogène compétitifs. En réponse, les fibres de cellulose se sont découplées en tant que leurs groupes d'hydrogène combinés avec la solution d'eau. Alternativement, à mesure que l'eau s'évapore du mélange, les fibres se reconnectent et redeviennent rigides.
À l'état rigide, le matériau ressemble à un plastique dur et rigide, un peu comme le boîtier de votre CD, explique Weder. Lorsque le matériau devient mou, il ressemble plus à un caoutchouc. Il dit que si un tel matériau était utilisé pour concevoir des électrodes neurales, il pourrait être conçu pour répondre au fluide dans le cerveau, se ramollissant au contact du tissu nerveux.
Bizzi du MIT dit qu'une électrode aussi souple allongerait le temps d'enregistrement dans le cerveau qui est possible avec les implants neuraux et fournirait des données précieuses pour le traitement d'affections telles que la maladie de Parkinson, le syndrome de Tourette et les lésions de la moelle épinière. Le domaine a besoin d'une nouvelle technologie pour permettre d'enregistrer pendant de plus longues périodes à partir du cerveau, explique Bizzi. Si ça marche, ce serait une aubaine.
Dans les applications d'électrodes, le matériau n'aurait à se transformer qu'une seule fois, de rigide à mou, une fois à l'intérieur du cerveau. Weder dit que le matériau à base de cellulose peut être utilisé pour d'autres applications qui nécessitent de passer d'un état rigide à un état plus doux. Vous pourriez penser à un plâtre intelligent, où vous voudriez raidir votre plâtre, mais de temps en temps, vous voulez l'adoucir afin de pouvoir bouger votre bras, dit Weder. Donc dans cette application, vous voudriez un matériau réversible.
Weder ajoute que les fibres de cellulose peuvent être obtenues à partir de sources autres que les concombres de mer, comme le bois et le coton, une piste que son équipe envisage d'explorer.