Les ingénieurs du MIT ont créé un hydrogel polymère souple et conducteur qui pourrait servir d’électrode implantable biocompatible et sans métal. Ce matériau, qui peut être transformé en encre imprimable, pourrait être utilisé dans diverses applications médicales, telles que les stimulateurs cardiaques et les stimulateurs cérébraux profonds. Il s’est avéré prometteur lors de tests préliminaires sur des animaux pour maintenir la stabilité et transmettre efficacement des impulsions électriques, avec moins d’inflammation et de cicatrices que les électrodes métalliques traditionnelles.
Un nouveau matériau semblable à la gelée pourrait remplacer les métaux comme interfaces électriques pour les stimulateurs cardiaques, les implants cochléaires et d’autres implants électroniques.
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Certains implants sont durs et encombrants, tandis que d’autres sont souples et fins. Mais quelles que soient leur forme et leur fonction, presque tous les implants intègrent des électrodes – de petits éléments conducteurs qui se fixent directement sur les tissus cibles pour stimuler électriquement les muscles et les nerfs.
Les électrodes implantables sont principalement fabriquées à partir de métaux rigides, conducteurs d’électricité par nature. Mais avec le temps, les métaux peuvent aggraver les tissus, provoquant des cicatrices et des inflammations qui, à leur tour, peuvent dégrader les performances d’un implant.
Les ingénieurs du MIT ont mis au point un matériau sans métal, semblable à de la gelée, qui est aussi souple et résistant qu’un tissu biologique et qui peut conduire l’électricité de la même manière que les métaux conventionnels. Ce matériau peut être transformé en une encre imprimable, que les chercheurs ont modelée en électrodes souples et caoutchouteuses. Le nouveau matériau, qui est un type d’hydrogel polymère conducteur à haute performance, pourrait un jour remplacer les métaux en tant qu’électrodes fonctionnelles à base de gel, avec l’aspect et le toucher d’un tissu biologique.
Les ingénieurs du MIT ont mis au point un matériau sans métal, semblable à de la gelée, qui est aussi souple et résistant qu’un tissu biologique et qui peut conduire l’électricité de la même manière que les métaux conventionnels. Ce nouveau matériau, qui est un type d’hydrogel polymère conducteur à haute performance, pourrait un jour remplacer les métaux dans les électrodes des appareils médicaux. Crédit : Felice Frankel
« Ce matériau fonctionne de la même manière que les électrodes métalliques, mais il est fabriqué à partir de gels semblables à notre corps, avec une teneur en eau similaire », explique Hyunwoo Yuk SM ’16 PhD ’21, cofondateur de SanaHeal, une startup spécialisée dans les dispositifs médicaux. « C’est comme un tissu ou un nerf artificiel.
« Nous pensons que pour la première fois, nous disposons d’une électrode résistante, robuste et semblable à de la gelée qui peut potentiellement remplacer le métal pour stimuler les nerfs et établir une interface avec le cœur, le cerveau et d’autres organes du corps », ajoute Xuanhe Zhao, professeur d’ingénierie mécanique et d’ingénierie civile et environnementale au MIT.
Zhao, Yuk et d’autres chercheurs du MIT et d’ailleurs publient leurs résultats dans Nature Materials. Parmi les coauteurs de l’étude figurent le premier auteur et ancien postdoc du MIT, Tao Zhou, qui est aujourd’hui professeur adjoint à l’université de Penn State, et des collègues de l’université normale des sciences et technologies de Jiangxi et de l’université Jiao Tong de Shanghai.
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Un véritable défi
La grande majorité des polymères sont isolants par nature, ce qui signifie que l’électricité ne passe pas facilement à travers eux. Mais il existe une petite classe spéciale de polymères qui peuvent en fait faire passer des électrons à travers leur masse. Certains polymères conducteurs ont montré pour la première fois qu’ils présentaient une conductivité électrique élevée dans les années 1970, travaux qui ont ensuite été récompensés par un prix Nobel de chimie.
Récemment, des chercheurs, dont ceux du laboratoire de Zhao, ont essayé d’utiliser des polymères conducteurs pour fabriquer des électrodes souples et sans métal à utiliser dans des implants bioélectroniques et d’autres dispositifs médicaux. Ces efforts ont visé à fabriquer des films et des patchs conducteurs d’électricité à la fois souples et résistants, principalement en mélangeant des particules de polymères conducteurs avec un hydrogel – un type de polymère souple et spongieux riche en eau.
Les chercheurs espéraient que la combinaison d’un polymère conducteur et d’un hydrogel donnerait un gel souple, biocompatible et conducteur d’électricité. Mais les matériaux fabriqués jusqu’à présent étaient soit trop faibles et cassants, soit peu performants sur le plan électrique.
« Dans les matériaux sous forme de gel, les propriétés électriques et mécaniques s’opposent toujours », explique M. Yuk. « Si vous améliorez les propriétés électriques d’un gel, vous devez sacrifier les propriétés mécaniques, et vice versa. Mais en réalité, nous avons besoin des deux : Un matériau doit être conducteur, mais aussi extensible et robuste. C’était le véritable défi et la raison pour laquelle les gens ne pouvaient pas transformer les polymères conducteurs en dispositifs fiables entièrement constitués de gel. »
Spaghetti électrique
Dans leur nouvelle étude, Yuk et ses collègues ont découvert qu’ils avaient besoin d’une nouvelle recette pour mélanger des polymères conducteurs avec des hydrogels de manière à améliorer les propriétés électriques et mécaniques des ingrédients respectifs.
« Auparavant, les chercheurs s’appuyaient sur un mélange homogène et aléatoire des deux matériaux », explique M. Yuk.
De tels mélanges produisaient des gels constitués de particules de polymères dispersées de manière aléatoire. Le groupe a réalisé que pour préserver les forces électriques et mécaniques du polymère conducteur et de l’hydrogel respectivement, les deux ingrédients devaient être mélangés de manière à ce qu’ils se repoussent légèrement – un état connu sous le nom de séparation de phase. Dans cet état de légère séparation, chaque ingrédient peut alors lier ses polymères respectifs pour former de longs brins microscopiques, tout en se mélangeant dans son ensemble.
« Imaginez que nous fabriquions des spaghettis électriques et mécaniques », explique Zhao. « Le spaghetti électrique est le polymère conducteur, qui peut maintenant transmettre l’électricité à travers le matériau parce qu’il est continu. Et le spaghetti mécanique est l’hydrogel, qui peut transmettre des forces mécaniques et être résistant et extensible parce qu’il est également continu. »
Les chercheurs ont ensuite modifié la recette pour transformer le gel spaghetti en une encre qu’ils ont introduite dans une imprimante 3D et imprimée sur des films d’hydrogel pur, selon des motifs similaires à ceux des électrodes métalliques conventionnelles.
« Comme ce gel est imprimable en 3D, nous pouvons personnaliser les géométries et les formes, ce qui facilite la fabrication d’interfaces électriques pour toutes sortes d’organes », explique Zhou, premier auteur de l’étude.
Les chercheurs ont ensuite implanté les électrodes imprimées, semblables à de la gelée, sur le cœur, le nerf sciatique et la moelle épinière de rats. L’équipe a testé les performances électriques et mécaniques des électrodes sur les animaux pendant deux mois et a constaté que les dispositifs étaient restés stables pendant toute la durée de l’implantation, avec peu d’inflammation ou de cicatrisation des tissus environnants. Les électrodes ont également été capables de transmettre des impulsions électriques du cœur à un moniteur externe, ainsi que de délivrer de petites impulsions au nerf sciatique et à la moelle épinière, ce qui a stimulé l’activité motrice dans les muscles et les membres associés.
Yuk envisage une application immédiate de ce nouveau matériau pour les personnes qui se remettent d’une opération cardiaque.
« Ces patients ont besoin de quelques semaines de soutien électrique pour éviter une crise cardiaque comme effet secondaire de la chirurgie », explique Yuk. « Les médecins cousent donc une électrode métallique à la surface du cœur et le stimulent pendant des semaines. Nous pourrions remplacer ces électrodes métalliques par notre gel afin de minimiser les complications et les effets secondaires que les patients acceptent aujourd’hui. »
L’équipe s’efforce de prolonger la durée de vie et les performances du matériau. Le gel pourrait alors être utilisé comme interface électrique souple entre les organes et les implants à long terme, notamment les stimulateurs cardiaques et les stimulateurs cérébraux profonds.
« L’objectif de notre groupe est de remplacer le verre, la céramique et le métal à l’intérieur du corps par quelque chose comme le Jell-O, qui serait plus inoffensif mais plus performant, et qui pourrait durer longtemps », explique Zhao. « C’est ce que nous espérons.
Référence : « 3D Printable High Performance Conducting Polymer Hydrogel for All-Hydrogel Bioelectronic Interfaces » 15 juin 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01569-2
Cette recherche est soutenue, en partie, par les National Institutes of Health.