Couches de soi

1 juin 2023

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par Andrew Myers, Université de Stanford

La peau humaine est incroyable. Il détecte la température, la pression et la texture. Il est capable de s'étirer et de rebondir, maintes et maintes fois. Et il fournit une barrière entre le corps et les menaces extérieures - bactéries, virus, toxines, rayonnement ultraviolet et plus encore. Les ingénieurs sont donc désireux de créer une peau synthétique. Ils imaginent des robots et des membres prothétiques qui ont des qualités semblables à celles de la peau, dont la remarquable capacité de guérison de la peau n'est pas la moindre.

« Nous avons réalisé ce que nous pensons être la première démonstration d'un capteur multicouche à couche mince qui se réaligne automatiquement pendant la cicatrisation. Il s'agit d'une étape critique vers l'imitation de la peau humaine, qui comporte plusieurs couches qui se réassemblent toutes correctement pendant le processus de cicatrisation », a déclaré Chris Cooper, titulaire d'un doctorat. candidat à l'Université de Stanford qui, avec le chercheur postdoctoral Sam Root, est co-auteur d'une nouvelle étude publiée dans Science.

La superposition est essentielle pour imiter les nombreuses qualités de la peau. "Il est doux et extensible. Mais si vous le percez, le tranchez ou le coupez, chaque couche guérira sélectivement avec elle-même pour restaurer la fonction globale", explique Root. "Comme de la vraie peau."

La peau, elle aussi, est formée de couches. Il vient de développer des mécanismes immunitaires qui reconstruisent le tissu avec la structure en couches d'origine grâce à un processus complexe impliquant la reconnaissance moléculaire et la signalisation.

"Avec une vraie" peau ", les couches devraient se réaligner naturellement et de manière autonome", déclare Cooper.

Root dit que l'équipe, dirigée par le professeur Zhenan Bao de l'Université de Stanford, pourrait être en mesure de créer une peau synthétique à plusieurs niveaux avec des couches fonctionnelles individuelles aussi fines qu'un micron chacune, peut-être moins. Assez mince pour qu'une pile de 10 couches ou plus ne soit pas plus épaisse qu'une feuille de papier. "Une couche peut détecter la pression, une autre température et encore une autre tension", explique Root. Le matériau des différentes couches peut être conçu pour détecter les changements thermiques, mécaniques ou électriques.

"Nous avons signalé la première peau électronique synthétique auto-cicatrisante multicouche en 2012 dans Nature Nanotechnology", explique Bao. "Il y a eu beaucoup d'intérêt dans le monde entier pour la recherche d'une peau synthétique multicouche depuis lors." Ce qui distingue leur travail actuel, c'est que les couches se reconnaissent et s'alignent avec des couches similaires pendant le processus de guérison, restaurant la fonctionnalité couche par couche au fur et à mesure qu'elles guérissent. Les peaux synthétiques auto-cicatrisantes existantes doivent être réalignées manuellement, par des humains. Même un léger désalignement dans les couches peut compromettre la récupération fonctionnelle.

Le secret est dans les matériaux. Le squelette de chaque couche est formé de longues chaînes moléculaires reliées périodiquement par des liaisons hydrogène dynamiques, similaires à celles qui maintiennent ensemble la double hélice des brins d'ADN, qui permettent au matériau de s'étirer à plusieurs reprises sans se déchirer. Le caoutchouc et le latex sont deux polymères naturels bien connus, mais il existe également d'innombrables polymères synthétiques. La clé est de concevoir des structures moléculaires polymères et de choisir la bonne combinaison pour chaque couche - la première couche d'un polymère, la seconde d'un autre et ainsi de suite.

Les chercheurs ont utilisé du PPG (polypropylène glycol) et du PDMS (polydiméthylsiloxane, plus connu sous le nom de silicone). Les deux ont des propriétés électriques et mécaniques semblables au caoutchouc et une biocompatibilité et peuvent être mélangés avec des nanoparticules ou des microparticules pour permettre la conductivité électrique. De manière critique, les polymères choisis et leurs composites respectifs sont non miscibles - ils ne se mélangent pas encore les uns aux autres, en raison de la liaison hydrogène, ils adhèrent bien les uns aux autres pour créer un matériau multicouche durable.

Les deux polymères ont l'avantage que lorsqu'ils sont chauffés, ils se ramollissent et s'écoulent, mais se solidifient en refroidissant. Ainsi, en chauffant la peau synthétique, les chercheurs ont pu accélérer le processus de guérison. À température ambiante, la guérison peut prendre jusqu'à une semaine, mais lorsqu'elle est chauffée à seulement 70 °C (158 °F), l'auto-alignement et la guérison se produisent en 24 heures environ. Les deux matériaux ont été soigneusement conçus pour avoir des réponses visqueuses et élastiques similaires aux contraintes externes sur une plage de température appropriée.

"La peau est également lente à guérir. Je me suis coupé le doigt l'autre jour et il guérissait encore quatre ou cinq jours plus tard", a déclaré Cooper. "Pour nous, la partie la plus importante est qu'il guérit pour récupérer des fonctions sans notre contribution ou effort."

Avec un prototype réussi, les chercheurs sont ensuite allés plus loin en travaillant avec le professeur Renee Zhao de l'Université de Stanford, en ajoutant des matériaux magnétiques à leurs couches de polymère, permettant à la peau synthétique non seulement de guérir mais aussi de s'auto-assembler à partir de pièces séparées. "En combinant la navigation guidée par champ magnétique et le chauffage par induction", déclare Zhao, "nous pourrons peut-être construire des robots mous reconfigurables qui peuvent changer de forme et détecter leur déformation à la demande".

"Notre vision à long terme est de créer des appareils qui peuvent se remettre de dommages extrêmes. Par exemple, imaginez un appareil qui, une fois déchiré en morceaux et déchiré, pourrait se reconstruire de manière autonome", explique Cooper, montrant une courte vidéo de plusieurs morceaux de peau synthétique stratifiée immergée dans l'eau. Réunies magnétiquement, les pièces se rapprochent l'une de l'autre et finissent par se réassembler. Au fur et à mesure qu'ils guérissent, leur conductivité électrique revient et une LED fixée au sommet du matériau s'allume pour le prouver.

Parmi leurs prochaines étapes, les chercheurs travailleront à rendre les couches aussi minces que possible et à créer des couches de fonctions variables. Le prototype actuel a été conçu pour détecter la pression, et des couches supplémentaires conçues pour détecter les changements de température ou de contrainte pourraient être incluses.

En termes de vision future, l'équipe imagine, potentiellement, des robots qui pourraient être avalés en morceaux puis s'auto-assembler à l'intérieur du corps pour effectuer des traitements médicaux non invasifs. D'autres applications incluent des peaux électroniques multisensorielles et auto-cicatrisantes qui s'adaptent aux robots et leur donnent un sens du toucher.

Plus d'information: Christopher B. Cooper et al, Alignement et guérison autonomes dans l'électronique douce multicouche à l'aide de polymères dynamiques non miscibles, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adh0619. www.science.org/doi/10.1126/science.adh0619