Les chercheurs de l’Université d’Oxford ont fait un pas important vers la réalisation une forme « d'électricité biologique » qui pourrait être utilisée dans diverses applications de bioingénierie et biomédicales, y compris la communication avec des cellules humaines vivantes. Le travail a été publié aujourd'hui (28 novembre) dans la revue Science.
Les dispositifs iontroniques constituent l’un des domaines les plus dynamiques et les plus passionnants du génie biochimique. Au lieu d’utiliser l’électricité, ceux-ci imitent le cerveau humain en transmettant des informations via des ions (particules chargées), notamment des ions sodium, potassium et calcium. À terme, les dispositifs iontroniques pourraient permettre la mise en place de systèmes de signalisation biocompatibles, économes en énergie et très précis, notamment pour l'administration de médicaments.
Cependant, jusqu’à présent, les dispositifs iontroniques sont généralement installés sur des échafaudages solides, ce qui entrave leur intégration dans les tissus mous. Dans cette nouvelle étude, des chercheurs de l’Université d’Oxford ont réussi à développer des dispositifs iontroniques miniatures et multifonctionnels construits à partir de gouttelettes d’hydrogel biocompatibles. Les hydrogels fonctionnent comme des analogues ioniques des semi-conducteurs électroniques, permettant de contrôler le mouvement des ions de la même manière que le contrôle du mouvement des électrons en électronique. Les minuscules gouttelettes microscopiques sont assemblées à l’aide de tensioactifs (molécules ressemblant à du savon) et conduisent les ions après avoir été déclenchées par la lumière pour se lier (une technique développée par le groupe).
Les chercheurs ont nommé leur collection d’appareils dropletronics, un composé de gouttelettes et d’iontronique. En créant des combinaisons de gouttelettes d'hydrogel nanolitres à l'échelle micrométrique, l'équipe a produit des diodes droplétroniques, des transistors, des portes logiques et des dispositifs de mémoire. Les dispositifs dropletroniques fonctionnent mieux que tous les dispositifs iontroniques logiciels développés à ce jour, notamment une efficacité plus élevée et un temps de réponse plus rapide. Ils sont même comparables aux dispositifs iontroniques solides, avec l’avantage supplémentaire de ne pas être intégrés dans une matrice dure.
Dr Yujia Zhang, chercheur principal de l'étude, Département de chimie, Université d'Oxford
En plus de contrôler les mouvements des ions, les dispositifs droplétroniques peuvent également interagir avec les cellules et enregistrer leurs signaux biologiques, puisque les dispositifs et les cellules parlent le même « langage ionique ». Dans cette étude, l’équipe de recherche a utilisé ces appareils pour produire des capteurs biocompatibles afin d’enregistrer les signaux électriques des battements des cellules cardiaques humaines.
«Il s'agit du premier exemple d'un capteur biologique construit en laboratoire capable de détecter et de répondre aux changements de fonction des cellules cardiaques humaines dans une assiette», a déclaré le Dr Christopher Toepfer, professeur agrégé de sciences cardiovasculaires au département de médecine Radcliffe de l'université d'Oxford. « Cette découverte constitue une étape passionnante vers la fabrication de dispositifs biologiques plus complexes qui détecteront diverses anomalies dans un organe et réagiront en délivrant intelligemment des médicaments à l'intérieur du corps. »
Les chercheurs envisagent l'intégration de la droplétronique avec la matière vivante, ce qui fournirait une approche biocompatible de la communication ionique directe, y compris la possibilité d'identifier plusieurs espèces ioniques et moléculaires vitales, ce qui ouvrirait de nouvelles possibilités dans divers domaines, notamment en médecine clinique. Les circuits droplétroniques peuvent également permettre de construire des systèmes logiques ioniques qui imitent les neurones pour le traitement et les calculs de l'information neuromorphique.
Le professeur Hagan Bayley (Département de chimie, Université d'Oxford), responsable du groupe de recherche chargé de l'étude, a déclaré : « Dr. Zhang a utilisé une approche créative et hautement multidisciplinaire incluant des aspects de l'électrochimie, de la chimie des polymères, de la physique des surfaces et de l'ingénierie des dispositifs pour produire les premiers dispositifs « droplétroniques » à l'échelle microscopique. Les capacités fonctionnelles de ces structures démontrent qu'elles pourraient bientôt être transformées en dispositifs pratiques ayant des applications à la fois en science fondamentale et en médecine.
