Combler le fossé entre l’électronique et les tissus biologiques
Étant donné les progrès rapides de l’électronique miniaturisée et de notre compréhension en constante évolution de la science du cerveau, la convergence de ces deux domaines n’est qu’une question de temps. «L‘intégration homogène de l’électronique dans des systèmes vivants, ou bioélectronique, ne fera pas uniquement progresser notre compréhension de la biologie fondamentale, mais redéfinira également les diagnostics et les traitements médicaux», indique Juan Liu, chercheuse à l’Université d’Oxford, également titulaire d’une bourse Marie Skłodowska-Curie. Le problème tient au fait que la plupart des dispositifs bioélectroniques sont actuellement conçus à partir de composants électroniques rigides et secs, qui manquent de caractéristiques biologiques. «Les différences entre les tissus biologiques et l’électronique fabriquée par l’homme créent un obstacle impressionnant au déploiement de dispositifs bioélectroniques», ajoute Juan Liu. Avec le soutien du projet ENERGSYNTISSUE, financé par l’UE, Juan Liu entend combler ce fossé entre le biologique et l’électronique.
L’utilisation de réseaux de gouttelettes
Selon Juan Liu, il existe plusieurs distinctions importantes entre les tissus biologiques et l’électronique fabriquée par l’homme. Par exemple, les tissus natifs se composent de cellules intégrées à une matrice extracellulaire (MEC). Parce que la nature des cellules et les caractéristiques de la MEC diffèrent selon les organes, elles produisent un large éventail de rigidités, de topographies et de complexités. En outre, alors que l’électronique fabriquée par l’homme repose sur des électrons pour transporter l’information, les activités bioélectroniques du corps humain se servent quant à elles des ions. «À la lumière de ces différences, la bioélectronique doit adopter les principes de la biologie, afin que les dispositifs puissent travailler de manière synergique avec les tissus et les organes vivants», fait remarquer Juan Liu. Une des façons d’y arriver est d’utiliser des tissus synthétiques conçus à partir de réseaux de gouttelettes, composées de compartiments aqueux séparés par des bicouches lipidiques. «Parmi tous les matériaux synthétiques, les réseaux de gouttelettes permettent de se rapprocher le plus des tissus naturels, notamment en ce qui concerne leurs propriétés mécaniques», ajoute Juan Liu. Dans ce type de tissus, chaque gouttelette représente une cellule simplifiée, où des informations sont échangées de manière interne entre ces compartiments et avec l’environnement externe. «Par exemple, en encapsulant des enzymes dans les compartiments, les cellules synthétiques peuvent recevoir et traiter des signaux biologiques», explique-t-il.
Vers des tissus synthétiques générant de l’énergie
En combinant ces avancées en matière de cellules synthétiques basées sur des réseaux de gouttelettes, Juan Liu a créé un élément électronique semblable à des tissus qui génère de l’énergie. «Nous sommes parvenus à concevoir et à fabriquer la première biobatterie durable basée sur des réseaux de gouttelettes, où les circuits électriques et les fonctions électroniques sont intégrés aux composants biologiques», remarque Juan Liu. En outre, Juan Liu a prouvé que les deux réactions enzymatiques survenant dans les différentes gouttelettes pouvaient générer un courant de l’ordre du nanoampère et un potentiel de 720 mV, avec la batterie la plus simple conçue à partir de deux gouttelettes seulement, ne mesurant que 480×680 μm2. De plus, le potentiel électrique établi entre deux gouttelettes différentes peut piloter les mouvements directionnels des molécules, ce qui contribue à créer des signalisations orthogonales et complexes au sein des tissus synthétiques, et à améliorer la complexité et la fonction du système. «Notre batterie-gouttelette est capable de générer des courants ioniques et électriques, et permet de produire différents signaux électriques selon l’environnement, tels que la température et le niveau de NADH», indique Juan Liu. Selon elle, cette percée majeure est susceptible de combler le fossé entre les activités biologiques et l’électronique conventionnelle. «Grâce à cela, nous ouvrons la porte au développement de nouveaux diagnostics et traitements pour des troubles comme les maladies cardiovasculaires, les maladies neurodégénératives, la cécité, le cancer, le diabète et l’asthme», conclut Juan Liu.
Mots‑clés
ENERGSYNTISSUE, électronique, tissus biologiques, réseaux de gouttelettes, tissus synthétiques, bioélectronique, matrice extracellulaire, biologie, biobatterie