Les chirurgiens vont bientôt déployer des armées de robots minuscules pour effectuer des microsurgeries dans tout le corps. Bien que cela puisse sembler être de la science-fiction , une équipe de recherche de l’Université Drexel a développé une technologie micro-robotique qui est envisagée pour une mission importante: forer à travers des artères bouchées.
Des plaques auriculaires se forment lorsque de la graisse, du cholestérol, du calcium et d'autres substances se déposent sur les parois internes des artères, lesquelles véhiculent le sang dans tout le corps. Au fil du temps, ces artères se durcissent et se rétrécissent. Ce processus appelé athérosclérose limite la capacité du sang riche en oxygène d'atteindre les organes vitaux et augmente le risque de crise cardiaque ou d'accident vasculaire cérébral. Bien que la cause de l'athérosclérose soit inconnue, une combinaison d'habitudes (telles que le niveau d'activité physique, le tabagisme et l'alimentation), de facteurs de risque génétiques et de l'âge contribue à son développement. L'angioplastie et la chirurgie de pontage sont deux approches chirurgicales classiques pour les artères bloquées. Au cours d'une angioplastie, un chirurgien vasculaire gonfle un petit ballon à l'intérieur du vaisseau sanguin et insère un tube en treillis métallique appelé stent pour maintenir les artères ouvertes et améliorer le flux sanguin. En revanche, un pontage implique le réacheminement du flux sanguin en utilisant des veines ou des artères non bloquées pour contourner l’artère rétrécie.
Cette nouvelle innovation en nanomédecine prend toutefois la forme de petites microbilles qui se rejoignent pour former une structure semblable à un tire-bouchon capable de naviguer dans les eaux traîtres du système vasculaire du corps. Les micro-nageurs sont constitués de minuscules billes d'oxyde de fer d'une taille aussi petite que 200 nanomètres, reliées ensemble dans une chaîne. Ces perles sont «composées de matériaux inorganiques biocompatibles qui ne déclencheront pas de réponse immunologique», explique MinJun Kim, professeur au College of Engineering de l'Université Drexel.
Pour induire un mouvement dans le sang, la chaîne est exposée à un champ magnétique externe finement calibré. La rotation de ce champ fait que la chaîne forme une structure hélicoïdale en rotation qui se propulse dans le flux sanguin. Les propriétés de ce champ magnétique permettent également de contrôler la vitesse, la direction et la taille de la chaîne de micro-nageurs (affectant la force avec laquelle il se déplace) en fonction de la nature de l'occlusion artérielle.
«L'utilisation de micro-robots en médecine est un tout nouveau domaine qui nécessite une solide expérience de recherche multidisciplinaire», déclare Kim.
La conception unique du micro-nageur a été inspirée par la nature elle-même - un microorganisme appelé Borrelia burgdorferi . (Université Drexel) La conception unique du micro-nageur a été inspirée par la nature elle-même - un microorganisme appelé Borrelia burgdorferi . La structure en spirale de cette bactérie, responsable de la maladie de Lyme, lui permet de s'infiltrer facilement dans les fluides corporels et de causer des dommages étendus.
Pour éliminer les plaques artérielles, les scientifiques utiliseront un cathéter pour administrer les micro-nageurs et un minuscule foret vasculaire pour dégager l'artère obstruée. Au moment du déploiement, les micro-nageurs lanceront l’attaque initiale en relâchant la plaque durcie, qui sera à son tour complétée par l’exercice chirurgical. Après l'opération, les billes biodégradables sont conçues pour libérer des anticoagulants dans le sang afin d'empêcher l'accumulation future de plaque.
«Les traitements actuels de l'occlusion totale chronique ne réussissent qu'environ 60%», a déclaré Kim dans un communiqué de presse . "Nous pensons que la méthode que nous développons pourrait atteindre 80 à 90% de succès et éventuellement raccourcir le temps de récupération."
Pour les micro-nageurs, les chercheurs ont utilisé des structures asymétriques de trois petites billes d'oxyde de fer. (Université Drexel) L’équipe de recherche a dû relever plusieurs défis pour mettre au point des robots fonctionnels à une telle échelle microscopique. «Le monde microscopique est complètement différent du monde macroscopique dans lequel nous vivons tous», déclare Kim. "Nous utilisons l'inertie pour nous déplacer dans le monde macroscopique, mais au niveau microscopique, l'inertie n'est pas utile pour le mouvement." En conséquence, les scientifiques ont dû utiliser des structures asymétriques (ou chirales) pour les micro-nageurs. «Nous pouvons créer des micro-nageurs à une ou deux billes, mais lorsque nous appliquons le champ magnétique, ils ne peuvent plus se déplacer car leurs structures sont symétriques. Ainsi, afin de créer une structure non symétrique, nous devions utiliser au moins trois perles », explique Kim.
Les chercheurs ont été confrontés à un autre obstacle: les propriétés fluides complexes du sang. Contrairement à l'eau, le sang est appelé fluide non newtonien, ce qui signifie que sa viscosité (ou résistance à l'écoulement) du fluide n'est pas directement proportionnelle à la vitesse à laquelle il s'écoule. En conséquence, les algorithmes de contrôle des micro-nageurs développés par Kim et son équipe reposaient sur une dynamique des fluides non linéaire et étaient beaucoup plus élaborés. «Ce contrôle non linéaire rend beaucoup plus difficile la manipulation de robots à l'échelle microscopique», explique Kim.
Les scientifiques de Drexel ont rejoint l'Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk afin d'étendre cette technologie pour une utilisation quotidienne par les équipes de chirurgie cardiovasculaire. Jusqu'à présent, les micro-nageurs n'ont été testés que dans des vaisseaux sanguins artificiels. L’effort de recherche international, un projet de 18 millions de dollars financé par l’Institut coréen d’évaluation de la technologie industrielle, a recruté les meilleurs ingénieurs de onze autres établissements situés aux États-Unis, en Corée et en Suisse. Ils espèrent avoir la technologie en essais cliniques sur l'homme d'ici quatre ans.
En plus de l'utilisation des micro-nageurs comme dispositifs de plomberie pour les artères, les chercheurs ont étudié d'autres applications biomédicales potentielles, telles que des traitements médicamenteux plus ciblés et une technologie d'imagerie à haute résolution. «Par exemple, les perles pourraient être utilisées pour pénétrer directement dans des cellules tumorales cancéreuses difficiles à atteindre, où le médicament sera libéré dans la cible, optimisant ainsi l'efficacité du médicament», explique Kim.
L’intérêt de Kim pour le domaine de la nanotechnologie a été suscité par le film de science-fiction Fantastic Voyage de 1966 et son remake Innerspace, réalisé par Steven Spielberg. Ces deux films impliquent la miniaturisation d’un sous-marin à pilote humain qui est ensuite injecté dans le corps humain dans le cadre d’une mission de sauvetage.
«J'ai regardé Innerspace quand j'étais au lycée en 1987. Le film contient de nombreux concepts de micro-robotique et de nanomédecine qui ont inspiré à la fois moi-même et d'autres chercheurs dans ce domaine», explique Kim. «Je suis excité de faire partie d'un projet visant à concrétiser cette science-fiction."
