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Des bioingénieurs développent des dispositifs thérapeutiques piézoélectriques implantables

by Nouvelles

Les bioingénieurs ont développé des générateurs biocompatibles qui créent des impulsions électriques lorsqu’ils sont comprimés par les mouvements du corps. Les générateurs sont constitués de “plaquettes piézoélectriques” auto-assemblées qui peuvent être fabriquées rapidement et à moindre coût pour permettre une large utilisation des thérapies électromécaniques alimentées par les muscles.

Les matériaux piézoélectriques tels que les céramiques et les cristaux ont la propriété particulière de créer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique. Ils sont utilisés dans de nombreux appareils, notamment les transducteurs à ultrasons, les capteurs de vibrations et les téléphones portables. En médecine, l’électrostimulation à l’aide de dispositifs piézoélectriques s’est avérée bénéfique pour accélérer la cicatrisation des plaies et des fractures osseuses, maintenir le tonus musculaire des victimes d’AVC et réduire la douleur chronique. Cependant, le manque de biocompatibilité, entraînant une rigidité et une toxicité, a bloqué les progrès dans le domaine.

Aujourd’hui, des bio-ingénieurs du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université du Wisconsin ont développé des dispositifs thérapeutiques piézoélectriques implantables. Les dispositifs ultra-fins et flexibles tirent parti du fait que les matériaux biologiques non rigides et non toxiques tels que la soie, le collagène et les acides aminés ont également des propriétés piézoélectriques.

L’équipe, dirigée par Xudong Wang, PhD., professeur de science et d’ingénierie des matériaux, a créé une méthode d’auto-assemblage de petites constructions en forme de patch qui utilisent l’acide aminé lysine comme générateur piézoélectrique. Le processus d’auto-assemblage incorpore une enveloppe polymère biocompatible qui entoure la lysine lorsque la solution polymère/lysine s’évapore. L’interaction chimique entre la couche interne de lysine et le revêtement polymère est essentielle pour orienter la lysine dans la structure cristalline nécessaire pour qu’elle produise un courant électrique lorsqu’elle est fléchie.

Ce travail est un exemple exceptionnel d’utilisation des propriétés chimiques des matériaux pour créer un produit auto-assemblant. Le procédé utilisé est rapide et peu coûteux, rendant possible la production de telles plaquettes pour des applications thérapeutiques. Le fait que les plaquettes soient biodégradables ouvre la possibilité de créer des électrothérapies qui pourraient être utilisées pour accélérer la guérison d’un os ou d’un muscle blessé, par exemple, puis se dégrader et disparaître du corps.”

David Rampulla, directeur, Division de la science et de la technologie de la découverte, Institut national d’imagerie biomédicale et de bioingénierie

L’équipe a effectué un certain nombre de tests sur les propriétés des plaquettes piézoélectriques. Des plaquettes ont été placées dans la patte et la poitrine des rats. Les mouvements des jambes et de la poitrine ont suffisamment comprimé les plaquettes piézoélectriques pour créer une sortie électrique. Les tests sanguins qui ont été effectués après la dissolution de la plaquette transplantée chez les rats ont montré des niveaux normaux de cellules sanguines et d’autres métabolites indiquant qu’il n’y avait pas d’effets nocifs de l’implant dissous.

Wang souligne la simplicité du travail élégant de l’équipe qui peut transformer les mouvements musculaires en approches thérapeutiques potentiellement révolutionnaires. « Nous pensons que la technologie ouvre un vaste éventail de possibilités, notamment la détection en temps réel, la guérison accélérée des plaies et d’autres types de blessures, et la stimulation électrique pour traiter la douleur et d’autres troubles neurologiques. Surtout, notre technologie d’auto-assemblage rapide réduit considérablement le coût de tels dispositifs, ce qui a le potentiel d’étendre considérablement l’utilisation de cette forme d’intervention médicale très prometteuse.”

La source:

Référence de la revue :

Yang, F., et al. (2021) Films minces bio-organiques piézoélectriques hétérostructurés à l’échelle d’une plaquette. Science. doi.org/10.1126/science.abf2155.

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