Popeye a rendu les épinards célèbres en tant que légume pour la construction musculaire. Mais les légumes pourraient un jour vous rendre plus fort sans être mangé - lorsque les scientifiques les utilisent pour construire une nouvelle classe de muscles artificiels. Cette semaine, une équipe de Taïwan a dévoilé des cellules d'oignon dorées qui semblent prometteuses pour l'expansion, la contraction et la flexion dans différentes directions, à la manière d'un véritable tissu musculaire.
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Les muscles artificiels ont un large éventail d'applications possibles, allant d'aider des personnes blessées à actionner des robots, et il existe de nombreuses façons d'essayer de les construire. L'année dernière, par exemple, des scientifiques ont développé à partir d'une simple ligne de pêche un ensemble de muscles artificiels capables de soulever 100 fois plus de muscles humains de même taille et de même poids. Mais aucun moyen clairement supérieur de créer un faux muscle n’a encore émergé.
«Il existe des muscles artificiels développés avec des élastomères, des alliages à mémoire de forme, des composites piézoélectriques, des polymères conducteurs d’ions et des nanotubes de carbone», explique Wen-Pin Shih de l’Université nationale de Taiwan à Taipei. «Les mécanismes et les fonctions de conduite sont très divers.» Certains types de muscles artificiels sont entraînés par la pression, comme dans les systèmes pneumatiques, tandis que d'autres créent un mouvement par le biais de changements de température ou du courant électrique.
Un défi majeur pour les fabricants de muscles artificiels a été de faire en sorte que leurs matériaux se plient et se contractent en même temps, comme le font les vrais muscles. Par exemple, lorsque quelqu'un fléchit la posture classique «faire un muscle», son biceps se contracte mais se penche également vers le haut pour lever l'avant-bras. Shih et ses collègues tentaient de créer un muscle artificiel capable de se plier et de se contracter simultanément. Ils ont ainsi constaté que la structure et les dimensions de la pelure d'oignon étaient très similaires à la microstructure à laquelle elles pensaient.
Pour tester le légume piquant, le groupe de Shih a d'abord prélevé une couche unique de cellules épidermiques dans un oignon frais épluché et l'a lavé à l'eau claire. Ensuite, l’équipe a lyophilisé l’oignon pour éliminer l’eau tout en laissant ses parois cellulaires intactes. Ce processus a rendu la microstructure rigide et cassante. Ils ont donc traité l'oignon avec un acide pour éliminer une protéine renforçant les cellules appelée hémicellulose et restaurer son élasticité.
Les couches d'oignons ont été faites pour se déplacer comme des muscles en les transformant en un actionneur électrostatique. Cela signifiait les recouvrir d'électrodes en or, qui conduisent le courant. L'or a été appliqué en deux épaisseurs - 24 nanomètres en haut et 50 nanomètres en bas - pour créer différentes rigidités de flexion et rendre les cellules flexibles et étirables de manière réaliste. Cela correspond parfaitement à la tendance naturelle de la pelure d'oignon à se plier dans différentes directions lorsqu'elle est soumise à des tensions différentes en raison de l'attraction électrostatique.
L'équipe a fabriqué des "pinces" ressemblant à un muscle à partir de cellules de peau d'oignon. (Shih Lab, Université nationale de Taiwan) Des tensions inférieures de 0 à 50 volts ont provoqué l'allongement et l'aplatissement des cellules par rapport à leur structure incurvée d'origine, tandis que des tensions supérieures de 50 à 1000 volts ont provoqué la contraction et la flexion du muscle végétal. En contrôlant ces tensions pour faire varier les mouvements musculaires, deux des arrangements à l'oignon ont été utilisés comme pincettes pour saisir une petite boule de coton, rapportent cette semaine Shih et ses collègues dans Applied Physics Letters .
Mais ce succès nécessitait une tension relativement élevée, ce que Shih appelle le principal inconvénient du concept à ce jour. Des tensions plus basses sont nécessaires pour contrôler le muscle avec des piles minuscules ou des composants de microprocesseur, ce qui conviendrait mieux pour alimenter des implants ou des pièces de robot. «Nous devrons mieux comprendre la configuration et les propriétés mécaniques des parois cellulaires pour surmonter ce défi», indique-t-il.
Les cellules d'oignon offrent certains avantages par rapport aux précédentes tentatives d'utilisation de cellules musculaires vivantes pour créer un tissu artificiel, explique Shih. «La culture de cellules pour former un morceau de tissu musculaire en vue de générer une force de traction reste un défi majeur», déclare Shih. «Les gens ont déjà essayé d’utiliser des muscles vivants. Mais alors, comment garder les cellules musculaires en vie devient un problème. Nous utilisons des cellules végétales car les parois cellulaires fournissent la force musculaire, que les cellules soient vivantes ou non. ”
La durabilité est un problème, cependant: le placage d'or a aidé à protéger les muscles de l'oignon, mais l'humidité peut toujours pénétrer dans leurs parois cellulaires et modifier les propriétés du matériau. Shih a une idée pour s'attaquer à ce problème, qui pourrait bientôt être mis à l'épreuve. «Nous pourrions recouvrir le muscle artificiel d'oignon d'une très fine couche de fluor», dit-il. "Cela rendra le muscle artificiel imperméable à l'humidité mais ne changera pas la douceur de l'appareil."
