Les dispositifs médicaux s'inspirent des conseils de conception du règne animal

Le règne animal a bénéficié de millions d’années d’évolution biologique pour adapter ses processus et ses caractéristiques afin de répondre à des besoins spécifiques. En utilisant une approche connue sous le nom de bioinspiration, les scientifiques et les ingénieurs exploitent les connaissances de la biologie pour résoudre les défis technologiques actuels et optimiser la conception de nouveaux matériaux, dispositifs et structures.

Dans le domaine médical, par exemple, des chercheurs ont conçu un système d'imagerie chirurgicale basé sur les yeux étonnants de la crevette mante, créé une couverture spatiale permettant aux utilisateurs de contrôler leur température en imitant les propriétés adaptatives de la peau de calmar et fabriqué une pression intraoculaire. capteur basé sur des nanostructures aux propriétés optiques découvertes pour la première fois dans les ailes d’un papillon.

Et cette semaine a vu la publication de deux nouvelles études exploitant les connaissances de la biologie au profit de la santé humaine.

Tout d’abord, le pangolin – le seul mammifère entièrement recouvert d’écailles dures. Ces écailles se connectent à la peau sous-jacente plutôt qu'entre elles et se chevauchent à la manière d'une pomme de pin, permettant au pangolin de se rouler en boule lorsqu'il est menacé. Et ce sont ces échelles qui ont inspiré Metin Sitti de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents et ses collaborateurs pour concevoir un robot médical miniature miniature.

Les robots souples magnétiques non attachés offrent la possibilité d'effectuer des procédures médicales mini-invasives à l'intérieur du corps. Un jour, ces robots pourraient être guidés par des champs magnétiques vers des régions difficiles d’accès, où ils pourraient alors délivrer des médicaments ou créer de la chaleur. Un chauffage localisé peut être utilisé pour arrêter le saignement, couper des tissus ou même enlever des tumeurs. La génération de chaleur à distance nécessite toutefois l’utilisation de matériaux métalliques rigides, ce qui peut compromettre la conformité et la sécurité des robots souples.

« Pour résoudre ce compromis inhérent entre un chauffage à distance efficace sur de longues distances et la conformité, nous avons observé comment les pangolins dans la nature pouvaient toujours réaliser des mouvements flexibles et sans entrave malgré leurs écailles de kératine qui sont des ordres de grandeur plus dures et plus rigides que les couches de tissus sous-jacentes, simplement. en organisant les écailles de kératine en une structure qui se chevauche », écrivent les chercheurs dans Nature Communications.

Dans cet esprit, Sitti et ses collègues ont conçu et construit un robot de 20 x 10 x 0,2 mm comprenant une couche de polymère souple et une couche d'éléments métalliques superposés inspirée du pangolin. En exposant le robot à un champ magnétique basse fréquence, les chercheurs ont pu le faire rouler et se déplacer. Lorsqu'il est exposé à un champ magnétique à haute fréquence, le robot a fourni un chauffage à la demande (de plus de 70°C) sur de grandes distances (plus de 5 cm) en moins de 30 s.

Dans des expériences de validation de principe sur des fantômes tissulaires, l’équipe a montré qu’un champ magnétique rotatif de 65 mT pouvait actionner et déplacer un robot non attaché, et que la balance chauffante pouvait libérer sélectivement une cargaison fixée au robot avec de la cire d’abeille.

Pour évaluer davantage le potentiel clinique du robot, les chercheurs ont simulé un saignement dans un estomac de porc ex vivo et ont démontré que le robot pouvait naviguer jusqu'au site de saignement et utiliser la chaleur pour arrêter le saignement. Ils ont également placé les sphéroïdes tumoraux en contact direct avec les échelles chauffantes, qui ont détruit les sphéroïdes après seulement 5 minutes de chaleur à 60 °C.

« De nombreuses questions et défis techniques demeurent, même s'ils sont surmontables, ils nécessitent davantage de temps et d'efforts. Ceux-ci incluent l’utilité clinique et le caractère pratique du déploiement de ces robots dans des scénarios cliniques, les problèmes de biocompatibilité, le contrôle et le suivi », explique le premier auteur Ren Hao Soon. « Dans mon prochain projet, je souhaite continuer à rapprocher ces robots non attachés du chevet. J’espère travailler en étroite collaboration avec les cliniciens pour identifier un réel besoin médical pour lequel de tels robots pourraient être utiles.

La pieuvre aux anneaux bleus est minuscule, aux couleurs vives et l'un des animaux marins les plus venimeux au monde. Sa morsure perce la carapace de sa proie puis libère de la tétrodotoxine, une neurotoxine paralysante. "Le comportement prédateur de la pieuvre aux anneaux bleus nous a inspiré une stratégie visant à améliorer les médicaments topiques", écrit une équipe de recherche dirigée par l'Université du Sichuan et l'Université du Zhejiang en Chine.