Construire la prochaine génération de robotique biocompatible
Les robots conventionnels sont constitués de pièces rigides qui ne conviennent pas aux tissus biologiques et renferment des matériaux toxiques. Le passage de l’ingénierie traditionnelle à la robotique molle nécessite donc de nouveaux matériaux biocompatibles, ce qui représente un défi technologique considérable. Ces matériaux auraient le potentiel d’influencer notre vie quotidienne par leurs utilisations dans les dispositifs biomédicaux, les prothèses et l’électronique portable.
Des matériaux intelligents biocompatibles
Le projet BIOACT avait pour objectif de développer des transducteurs mous susceptibles d’être utilisés dans des dispositifs biomédicaux intelligents. La recherche a été entreprise avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA) et a impliqué l’utilisation de polymères ioniques électromécaniquement actifs (PIEA). Les PIEA sont des matériaux intelligents qui manifestent un changement de taille ou de forme en réponse à des signaux électriques. Ils consistent généralement en une membrane microporeuse perméable aux ions, placée entre deux électrodes. Le système est saturé d’un électrolyte liquide ionique, et les PIEA opèrent une transduction entre courant électrique et déformation mécanique lorsque des ions de l’électrolyte sont transportés en leur sein. «Pour réaliser des PIEA biocompatibles, tous les composants doivent présenter une faible toxicité et pouvoir être utilisés en toute sécurité», explique Kaija Põhako-Esko, chargée de recherche au MSCA. BIOACT s’est concentré sur les polymères conducteurs, car ils présentent le plus grand potentiel pour les applications médicales. Les chercheurs ont voulu trouver la combinaison de matériaux optimale pour assurer la sécurité sans compromettre les performances des PIEA. À cette fin, ils ont développé et entièrement caractérisé des liquides ioniques à base de choline, dont la faible toxicité a été établie pour de nombreux organismes vivants, la choline étant un nutriment essentiel. Pour préparer des actionneurs biocompatibles, ils ont combiné ces liquides ioniques à base de choline avec des électrodes polypyrrole et des membranes en biopolymère. Ils ont testé les performances de ces nouveaux matériaux et ont constaté qu’elles étaient comparables à celles de matériaux électroactifs de référence contenant des liquides ioniques commerciaux relativement toxiques.
Avantages et perspectives des PIEA
Parmi les avantages des PIEA, citons leur structure simple, souple et flexible qui imite la mécanique des tissus biologiques. Ils fonctionnent par ailleurs à très basse tension et peuvent être miniaturisés pour être employés dans de nombreuses applications biomédicales. De plus, l’activation des PIEA est un processus à commande ionique similaire à ceux rencontrés dans le corps humain. BIOACT est parvenu à préparer des actionneurs PIEA biologiquement bénins capables de fonctionner dans les conditions, température et pH, du corps humain. «Bien que nous ayons démontré que les liquides ioniques de choline biologiquement inoffensifs peuvent être utilisés comme électrolytes dans les actionneurs PIEA, la recherche se poursuivra avec des tests de mélanges de liquides ioniques et de liquides ioniques pharmaceutiquement actifs», souligne Kaija Põhako-Esko. Le mélange de différents liquides ioniques permet d’affiner leurs propriétés, ce qui a une incidence sur les performances des actionneurs. En outre, l’utilisation de composants pharmaceutiquement actifs permettra de développer des matériaux multifonctionnels pour les dispositifs de libération de médicaments. Pour faciliter ce processus et aider à concevoir des liquides ioniques aux propriétés spécifiques, l’équipe de BIOACT a mis au point une méthode de calcul capable de prédire les caractéristiques des liquides ioniques et de réduire ainsi la charge expérimentale. Collectivement, BIOACT crée de nouvelles opportunités dans l’ingénierie médicale des dispositifs multifonctionnels biocompatibles grâce à ses PIEA innovants. Ces matériaux intelligents devraient répondre aux exigences liées au vieillissement démographique croissant en termes de dispositifs d’assistance à la marche, d’implants cochléaires et de cathéters intelligents.
Mots‑clés
BIOACT, PIEA, liquide ionique, biocompatible, actionneur, choline, application biomédicale, transducteur, polymères ioniques électromécaniquement actifs
