Un dispositif microscopique à commande acoustique

© 2020 EPFL

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Des scientifiques de l’EPFL ont créé des microdispositifs mécaniques télécommandés capables de manipuler le fluide les environnant, de collecter des cellules ou de dispenser des médicaments.

Une capsule souple de la taille d’une cellule qui, lorsqu’elle est injectée dans le corps humain, peut recueillir un échantillon pour une biopsie, dispenser des médicaments ou réaliser une thérapie mécanique. Impensable? Pas pour les scientifiques du Laboratoire des systèmes micro-bio-robotiques (MICROBS) qui ont développé une technologie capable de relever ces défis. « Pour fabriquer l’élément de base, appelé micromoteur acoustique, nous avons utilisé une imprimante 3D avec une résolution nanométrique. Les pièces de l’appareil sont constituées d’hydrogel, un matériau biocompatible dont la rigidité est proche de celle du tissu humain. A l’aide de simulations informatiques, nous avons pu inventer un microdispositif complexe comprenant plusieurs moteurs », déclare Selman Sakar, professeur à l’Institut d’ingénierie mécanique.

Activation à distance

« Une fois introduits dans le corps, nous devons activer ces appareils à distance. En effet, des attaches telles que des câbles ou des tubes seraient trop invasives », poursuit le scientifique. Les chercheurs utilisent des ultrasons pour actionner, de façon sélective, les moteurs et manipuler le fluide environnant. « La mécanique joue un rôle clé dans le fonctionnement du microdispositif. En utilisant le concept de résonance, nous choisissons précisément la partie du dispositif qui est activée, en modulant la fréquence de l’excitation acoustique», explique Selman Sakar.

L’équipe de Selman Sakar a également développé plusieurs moteurs et mécanismes. En assemblant ces différentes pièces, ils ont conçu un dispositif de biopsie muni de multiples pompes, d’un réservoir de collecte et de filtres de tailles diverses. Les chercheurs ont également fabriqué des appareils mobiles. Ils sont propulsés par le flux de fluide généré par les micromoteurs acoustiques.

Diagnostic et traitement internes

Combinée à l’imagerie médicale, cette technologie permet de réaliser un suivi sur le long terme, sans intervention extérieure. « Nous avons libéré la technologie de la microfluidique de ses contraintes externes. Nous pouvons injecter ces dispositifs dans un tissu humain et exploiter un certain nombre de caractéristiques étonnantes qu’ils offrent à l’analyse biochimique », révèle Murat Kaynak, auteur principal de l’étude.

En outre, ces dispositifs peuvent être utilisés à des fins thérapeutiques. « Nous pourrons les programmer pour dispenser un médicament à une dose définie et uniquement lorsqu’ils sont activés par des ultrasons. Cela permettra un traitement très localisé avec un minimum d’effets indésirables », ajoute-t-il.

Durée de vie contrôlée

Si l’injection de dispositifs microscopiques est peu invasive, il se révèle compliqué de les retirer. La solution se trouve dans les propriétés des matériaux utilisés. « La durée de vie du dispositif dépend du matériau choisi. Certains hydrogels se biodégradent rapidement tandis que d’autres sont plus durables. Le concept d’actionnement est compatible avec de nombreuses formulations de polymères », déclare Murat Kaynak.

Les expériences ont jusqu’à présent été menées in vitro. La prochaine étape consiste à tester ces dispositifs in vivo.

Références

Murat Kaynak, Pietro Dirix, and Mahmut Selman Sakar. Addressable Acoustic Actuation of 3D Printed Soft Robotic Microsystems. Advanced Science, 2020.

onlinelibrary.wiley.­com/doi/10.1002/advs.202001120