08 mars 2024 (Projecteur Nanowerk) Imaginez un petit dispositif bioélectronique, implanté sous votre peau, qui pourrait surveiller en permanence vos signes vitaux, administrer avec précision des médicaments ou même stimuler vos muscles et vos nerfs pour traiter diverses affections. Imaginez maintenant si, après une période de temps préprogrammée, cet appareil se dissoudrait simplement, sa mission étant terminée, ne laissant aucune trace dans votre corps. Pas besoin de chirurgie d’extraction, pas de risque de complications à long terme – juste une solution thérapeutique temporaire qui disparaît lorsqu’elle n’est plus nécessaire. C’est la promesse alléchante de l’électronique biorésorbable, un domaine de pointe qui cherche à créer des implants médicaux à partir de matériaux capables de se dégrader et d’être absorbés sans danger par l’organisme après avoir fonctionné pendant une période utile. En éliminant le besoin d’ablation chirurgicale, de tels dispositifs « transitoires » pourraient révolutionner le traitement de pathologies allant de la cicatrisation des plaies à l’épilepsie. Ils pourraient ouvrir la voie à une nouvelle ère de médecine de précision où l’appareil lui-même est une forme de « médicament électronique » qui n’existe que pour une durée souhaitée. Mais concevoir des appareils capables de fonctionner de manière fiable dans l’environnement hostile du corps humain, puis de disparaître au bon moment, n’est pas une tâche simple. Un défi majeur a été de développer un matériau d'encapsulation capable de protéger les composants électroniques de l'humidité et de la dégradation pendant une période contrôlable avant de se décomposer en sous-produits inoffensifs. Cet emballage doit agir comme une barrière parfaite contre l'humidité pendant toute la durée de vie fonctionnelle de l'appareil, sans pour autant rester indéfiniment dans l'organisme par la suite. Les matériaux conventionnels ne répondent pas à cet idéal. Les polymères, par exemple, peuvent être facilement transformés en films minces, mais permettent naturellement à l'eau de s'infiltrer lentement et de dégrader prématurément les composants électroniques. Les matériaux inorganiques comme le dioxyde de silicium constituent d'excellentes barrières, mais sont généralement rigides et nécessitent des températures élevées pour leur fabrication, ce qui limite leur polyvalence. Les approches hybrides organiques-inorganiques se sont révélées prometteuses mais peinent encore à éliminer complètement les défauts qui compromettent rapidement l’encapsulation. Une toute nouvelle stratégie en matière de matériaux est nécessaire pour permettre la création de dispositifs biorésorbables plus durables et plus performants. Aujourd’hui, une équipe de recherche multidisciplinaire composée de chimistes, de scientifiques des matériaux et d’ingénieurs biomédicaux a peut-être trouvé une solution. Comme indiqué dans Matériaux avancés («Films organiques-inorganiques multicouches biorésorbables pour systèmes bioélectroniques»), ils ont conçu une méthode d'encapsulation qui utilise des couches alternées ultrafines d'oxynitrure de silicium (SiON) et un polymère biorésorbable personnalisé appelé polyanhydride (PA) pour créer une barrière contre l'humidité flexible, réglable et tolérante aux défauts. En empilant plusieurs couches de ces matériaux dans une configuration optimisée, ils ont formé un chemin tortueux qui empêche efficacement la pénétration des fluides et empêche l'humidité d'atteindre l'électronique, même si des imperfections mineures sont présentes.
Démonstration d'un dispositif optoélectronique des performances de barrière à l'eau de films SiON-PA à 3 couches. L'image montre un diagramme schématique en vue éclatée du dispositif et de son encapsulation. L'encart montre des LED activées, indiquant le bon fonctionnement de l'appareil. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) Pour comprendre pourquoi il s'agit d'une avancée décisive, considérez les faiblesses des barrières à une seule couche. Même un trou d’épingle nanoscopique dans un film barrière inorganique peut se développer rapidement et laisser entrer l’humidité. Les polymères pardonnent mieux les défauts mais sont perméables au fil du temps. L'innovation de l'équipe a été de créer une structure multicouche dans laquelle de nombreuses couches distinctes travaillent ensemble pour se « protéger ». Tout défaut localisé est isolé et contenu, incapable de compromettre l’appareil. Tout aussi crucial, la chimie et le nombre de couches peuvent être réglés avec précision pour contrôler la durée pendant laquelle le dispositif reste stable avant de se dégrader. Ceci est réalisé en personnalisant les propriétés du matériau PA et l’épaisseur des couches individuelles de l’empilement. Le résultat est un niveau de contrôle sans précédent sur la durée de vie fonctionnelle d'un dispositif biorésorbable, de quelques jours à plusieurs mois, tout en garantissant une dissolution sûre et prévisible par la suite. Le potentiel de cette technologie a été clairement démontré en encapsulant des implants LED sans fil et en les testant tous deux. in vitro et chez des souris vivantes. Les dispositifs protégés par les films multicouches SiON-PA sont restés stables et fonctionnels pendant plus d'un mois, tandis que les implants non protégés ont échoué en quelques jours dans le corps. L'imagerie a révélé que la barrière empêchait toute pénétration d'humidité jusqu'au début de la dégradation préprogrammée. Des études approfondies de biocompatibilité et de dégradation ont également été menées pour garantir la sécurité et l'impact environnemental des matériaux barrières. Les deux in vitro études cellulaires et in vivo les expériences d'implantation ont confirmé que les films SiON-PA et leurs produits de dégradation n'étaient pas toxiques et ne déclenchaient aucune réponse inflammatoire indésirable. Les films se décomposent en composés bénins qui peuvent être absorbés ou excrétés en toute sécurité par le corps au fil du temps. Bien que des développements et des tests supplémentaires soient encore nécessaires, cette méthode d'encapsulation révolutionnaire ouvre la porte à une nouvelle génération de dispositifs médicaux biorésorbables plus durables et plus performants. En fournissant une barrière contre l'humidité réglable et tolérante aux défauts, il pourrait permettre aux implants de fonctionner dans un éventail beaucoup plus large de conditions, préprogrammés pour durer pendant une période de temps souhaitée avant de disparaître sans laisser de trace. Cependant, des défis subsistent sur le chemin de la traduction clinique. Des études à long terme seront nécessaires pour caractériser pleinement in vivo processus de dégradation et tout effet potentiel des sous-produits. L'augmentation du processus de fabrication tout en maintenant un contrôle précis sur les propriétés des couches nécessitera des efforts d'ingénierie supplémentaires. Des obstacles réglementaires doivent également être surmontés pour démontrer la sécurité et l’efficacité de ces nouveaux dispositifs chez l’homme. Le développement de cette barrière contre l’humidité organique-inorganique multicouche représente un pas en avant significatif pour le domaine de l’électronique biorésorbable. En fournissant une méthode d'encapsulation réglable et tolérante aux défauts, cette innovation pourrait ouvrir une nouvelle ère de dispositifs médicaux durables et transitoires, capables de traiter un large éventail de conditions avant de se dissoudre sans danger. L'approche interdisciplinaire lancée par cette équipe de recherche, combinant les forces de la chimie, de la science des matériaux et du génie biomédical, met en valeur le pouvoir de la collaboration pour repousser les limites de ce qui est possible. Cependant, ce travail révolutionnaire n’est qu’un début. Des études supplémentaires sont nécessaires pour caractériser pleinement les effets à long terme in vivo performances et la sécurité de ces matériaux, ainsi que pour optimiser et intensifier le processus de fabrication. Les chercheurs doivent également naviguer dans le paysage réglementaire complexe pour traduire cette technologie du laboratoire à la clinique. Ces défis nécessiteront des efforts et des investissements soutenus de la part de la communauté scientifique et des partenaires industriels. Mais l’impact sociétal potentiel de cette technologie est immense. Imaginez un avenir dans lequel les patients souffrant de maladies chroniques comme le diabète ou les maladies cardiaques pourraient bénéficier d’une surveillance et d’un traitement continus à long terme à partir d’un seul implant auto-dissolvant. Imaginez un monde dans lequel les patients atteints de cancer pourraient subir une administration localisée et soutenue de médicaments sans avoir recours à des procédures invasives répétées. Imaginez une époque où les troubles cérébraux comme l'épilepsie ou la maladie de Parkinson pourraient être gérés grâce à une stimulation électronique temporaire et ciblée qui ne laisse aucune empreinte durable. Ces possibilités sont désormais à portée de main, grâce à des avancées telles que cette barrière anti-humidité biorésorbable. De plus, le concept de « médecine électronique » – dans lequel l’appareil lui-même est un traitement thérapeutique transitoire et programmable – pourrait remodeler fondamentalement la façon dont nous abordons le traitement médical. En permettant des interventions précises et limitées dans le temps, adaptées aux besoins de chaque patient, ce changement de paradigme pourrait améliorer les résultats, réduire les effets secondaires et réduire les coûts des soins de santé. Cela pourrait également alléger le fardeau environnemental des déchets médicaux, dans la mesure où les dispositifs à usage unique se dégraderaient simplement en composants inoffensifs. Quant au calendrier de traduction clinique, les experts prédisent que les premiers essais humains de dispositifs électroniques biorésorbables pourraient commencer d’ici 5 à 10 ans. À mesure que la recherche continue d’affiner et d’optimiser ces technologies, nous pouvons nous attendre à voir un nombre croissant d’applications passer des études précliniques aux essais cliniques. Au cours des deux prochaines décennies, il est tout à fait plausible que l’électronique biorésorbable devienne un outil médical courant, transformant les normes de soins pour un large éventail de pathologies. Bien entendu, la réalisation de cette vision nécessitera une collaboration et un investissement continus de la part des chercheurs, des cliniciens, des partenaires industriels et des décideurs politiques. Cela exigera un engagement soutenu en faveur de la recherche interdisciplinaire, de la médecine translationnelle et des partenariats public-privé.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
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Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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