Des scientifiques inventent de nouveaux biomatériaux résorbables pour les dispositifs médicaux implantables

Aug 31, 2023

Dialogue du 10 août 2023

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par Zhuomin Zhang

Et si nous avions de minuscules appareils dans notre corps qui pourraient surveiller en permanence les artères endommagées, accélérer la régénération osseuse et la cicatrisation des plaies, ou faciliter l’administration de médicaments pour le traitement du cancer ? Cela pourrait ouvrir des opportunités remarquables pour le traitement des maladies humaines et le renforcement de nos capacités au-delà des limites de la biologie.

Les biomatériaux piézoélectriques, capables de générer des signaux électriques grâce au stress mécanique produit par les mouvements corporels tels que l'étirement musculaire, la respiration, la circulation sanguine et les petits mouvements, peuvent être utilisés pour créer ces dispositifs. Ils ne nécessiteront pas de piles et seront conçus pour se dissoudre en toute sécurité à l’intérieur du corps une fois qu’ils auront rempli leur fonction.

Le prix Nobel de physiologie ou médecine 2021 a été décerné aux scientifiques David Julius et Ardem Patapoutian, qui ont résolu le mystère de la sensation humaine du toucher et de la douleur. Ils ont vérifié que les cellules ressentent la pression et provoquent la sensation de toucher grâce aux effets de couplage électromécanique des protéines Piezo 1 et Piezo 2. Nous sommes inspirés par cette grande découverte et réfléchissons à de nouvelles avancées scientifiques dans le domaine des biomatériaux piézoélectriques et les conduisant vers des applications du monde réel.

Actuellement, la plupart des matériaux piézoélectriques sont rigides et cassants, et certains d’entre eux contiennent même des matières toxiques, les rendant impropres à une implantation dans le corps humain. Les biomatériaux piézoélectriques sont des alternatives prometteuses car ils présentent naturellement biocompatibilité, fiabilité et résorbabilité.

Cependant, la résistance piézoélectrique des biomatériaux piézoélectriques naturels tels que l’os et le bois est faible en raison de leur orientation désordonnée. Cela les rend impropres aux applications du monde réel. Il est donc extrêmement important de créer de l’ordre dans les biomatériaux piézoélectriques et d’améliorer leur effet piézoélectrique. Cependant, manipuler des biomolécules à grande échelle avec l’orientation alignée nécessaire pour fonctionner correctement s’est avéré un défi.

Ici, nous avons présenté une stratégie généralisable qui permet aux biomolécules de s'auto-assembler sur une vaste zone avec la même orientation via un nanoconfinement synergique et un champ électrique in situ. Les films biomoléculaires présentent une structure dense et compacte avec une résistance piézoélectrique uniformément élevée, supérieure à la plupart des films bioorganiques rapportés.

De plus, grâce à l'effet de nanoconfinement, la thermostabilité de ces films nanocristallins a été grandement améliorée par rapport à leurs cristaux massifs (la température de rupture a été augmentée de 67°C à 192°C).

En fait, en 2022, nous avions déjà publié une étude sur les tissus biopiézoélectriques dans Advanced Materials intitulée « van der Waals Exfoliation Processed Biopiezoelectric Submucosa Ultrathin Films ». Dans ce travail, nous avons systématiquement étudié la biopiézoélectricité de la sous-muqueuse de l'intestin grêle (SIS) en couches de Van der Waals.

Pour la première fois, nous avons déterminé quantitativement la piézoélectricité inhérente du SIS à l’aide de la microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) avancée et révélé l’origine de sa biopiézoélectricité. Nous avons proposé un processus d'exfoliation de Van der Waals (vdWE) utilisant de faibles interactions de Van der Waals dans des tissus biologiques mous en couches pour préparer des films ultra-minces (100 nm) avec des domaines piézoélectriques efficaces par simple pelage mécanique.