La bioélectronique est mise à niveau avec une nouvelle approche pour créer des dispositifs plus stables et plus efficaces sur le plan électrique

La bioélectronique est mise à niveau avec une nouvelle approche pour créer des dispositifs plus stables et plus efficaces sur le plan électrique

Le professeur agrégé Bozhi Tian avec les étudiants diplômés Aleksander Prominski et Lingyuan Meng. Crédit : Université de Chicago

Des chercheurs de l’Université de Chicago ont breveté une nouvelle approche pour le développement de dispositifs bioélectroniques à base de carbone, qui ont diverses applications dans l’administration de médicaments, la détection de substances et la modulation d’organes.

Les stimulateurs cardiaques et les implants cochléaires figurent parmi les premiers dispositifs bioélectroniques à avoir été largement appliqués en clinique. Cependant, ces dispositifs ont historiquement été encombrants, rigides et mécaniquement invasifs pour les cellules et les tissus. Il existe un besoin pour des dispositifs plus petits et plus flexibles afin d’améliorer les performances de ces dispositifs et des futurs.

Bozhi Tian, ​​professeur agrégé au département de chimie et à l’Université de Chicago, a exploré cette question de divers points de vue et dans son laboratoire, il travaille à imiter le comportement cellulaire à l’aide de nanomatériaux semi-conducteurs et à augmenter les systèmes biologiques existants avec des composants semi-conducteurs. Le laboratoire travaille également en permanence au développement de nouveaux outils biophysiques pour comprendre la dynamique subcellulaire, la particularité, la capacité de contrôler les cellules vivantes en temps réel.

« Dans le passé, notre laboratoire se concentrait principalement sur les semi-conducteurs comme le silicium et le carbure de silicium, qui possèdent de nombreuses propriétés électroniques intéressantes », a expliqué Bozhi Tian, ​​qui détient plusieurs brevets liés aux semi-conducteurs. Cependant, le silicium présente certains inconvénients, tels que des problèmes de stabilité, l’équipe a donc décidé de se concentrer sur un matériau différent : le carbone.

Le projet, qui a duré trois ans, a demandé beaucoup d’efforts de la part de tous, a déclaré Lingyuan Meng, un doctorant. étudiant dans le laboratoire de Tian. « Nous avons tous travaillé ensemble sur la plupart des expériences et j’ai été impliqué du début à la fin, y compris la fabrication ascendante des dispositifs bioélectroniques à base de carbone, les expériences biologiques et l’analyse des données », a-t-elle déclaré.

Aujourd’hui, les travaux ont abouti à un nouveau brevet pour une nouvelle approche de création de dispositifs bioélectroniques à base de carbone. La méthode est hautement évolutive, car Tian a déclaré que les dispositifs peuvent être fabriqués rapidement, efficacement, à faible coût et peuvent être utilisés pendant de longues périodes sans problèmes de dégradation.

De plus, l’approche aboutit à un matériau monolithique, ce qui signifie qu’il ne nécessite pas de liant polymère qui conduit souvent à des dispositifs plus volumineux. Ce type de matériau est également moins susceptible d’être toxique pour les cellules, par rapport à d’autres formes de carbone actuellement étudiées, a déclaré Aleksander Prominski, un Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Tian, ​​qui a déclaré que l’étude sur la bioélectronique à base de carbone a tenté de répondre à la question de savoir comment ils pourraient concevoir des matériaux biocompatibles qui sont également stables et électriquement efficaces.

En utilisant l’approche brevetée, les chercheurs peuvent fabriquer des dispositifs qui, en plus d’être monolithiques, sont flexibles, conducteurs et surtout biocompatibles. « Nous avons montré que les membranes de carbone hiérarchiques forment des interfaces de haute qualité avec des structures biologiques et permettent des modulations des cellules, des tissus et des nerfs », a expliqué Prominski.

Avec des applications potentielles en biophysique et en génie tissulaire, le matériel et le dispositif brevetés ont été appliqués avec succès pour stimuler des cellules in vitro ou dans une boîte de culture. Les prochaines étapes consisteraient à tester le dispositif sur des modèles animaux.

« Dans notre corps, la façon dont les cellules et les tissus communiquent est d’utiliser des ions, nous avons donc décidé de manipuler ces ions à l’aide de ce dispositif électrochimique. L’idée de base est d’utiliser le matériau pour attirer et repousser les ions », a expliqué Tian. « Nos tissus sont très compliqués; ils ne communiquent pas seulement chimiquement, mais électriquement. »

Cette complexité, cependant, est ce qui permet aux chercheurs de traiter la maladie à la fois chimiquement avec des produits pharmaceutiques et électriquement, avec des dispositifs comme ceux développés dans le laboratoire de Tian. En appliquant cette méthode électrochimique à deux volets, « vous ne manquez pas une approche possible de la guérison ou de la réparation des dommages », a déclaré Tian.

Bioélectronique et au-delà

Les chercheurs ont démontré diverses applications potentielles pour les appareils, qui peuvent également incorporer des fonctions flexibles de détection ou d’enregistrement électriques. Parmi ses utilisations potentielles, citons la modulation du taux de contraction des cellules cardiaques pour cibler la fréquence, le contrôle des propriétés électriques des tissus isolés du cœur et de la rétine et la stimulation des nerfs sciatiques.

« Une stimulation efficace des cœurs et des nerfs montre un potentiel d’application de ce matériau dans les implants bioélectroniques », a ajouté Prominski. Meng a également noté que la plate-forme pourrait également être utilisée dans la recherche énergétique ou comme élément de puissance implantable.

« La bioélectronique est un domaine hautement interdisciplinaire et elle profite aux techniques des sciences physiques et de la vie en facilitant de nouvelles connaissances sur la compréhension scientifique fondamentale et en facilitant une variété d’applications biomédicales », a déclaré Meng, qui concentre ses recherches sur l’utilisation de matériaux synthétiques pour les applications cellulaires et intracellulaires. biomodulations.

Actuellement, elle travaille sur deux projets indépendants, dont le développement de biomatériaux actifs pour l’activation et la modulation des cellules T et la signalisation et les fonctions des cellules T du récepteur d’antigène chimérique (CAR). Ces travaux pourraient avoir des implications importantes pour la prévention et le traitement du cancer.

« Mon deuxième projet se concentre sur la modulation électrique de l’exosome dans les cellules vivantes, une sorte d’extension de ce projet bioélectronique au niveau subcellulaire », a ajouté Meng, qui a déclaré qu’elle aimerait explorer les changements au niveau subcellulaire dans les cellules, tels que les profils des exosomes, lors de la stimulation électrique à l’aide du type d’appareils développés dans le laboratoire de Tian.

Prominski poursuit également ses recherches dans deux directions principales. « Mon premier projet se concentre sur la chimie des matériaux, et j’étudie comment la nano-ingénierie de surface peut être appliquée pour concevoir des matériaux d’optostimulation efficaces », a-t-il déclaré. Ces matériaux pourraient être utilisés pour la stimulation cardiaque et la stimulation neurale et ont de nombreuses applications cliniques prometteuses, telles que les stimulateurs cardiaques temporaires injectables et les sondes de stimulation cérébrale profonde.

Son deuxième projet est lié à la physiologie cellulaire, dans le but de développer un traitement avancé d’images en temps réel et d’automatiser des expériences bioélectroniques. « Actuellement, je conçois un système informatique intelligent et automatisé qui peut effectuer des expériences bioélectroniques autonomes sur des échelles de temps qui ne sont pas pratiques pour l’expérimentateur humain », a-t-il expliqué. Le système intègre des algorithmes de vision industrielle et d’intelligence artificielle de pointe.

« Je pense que mes études nous permettront de réaliser de nouveaux types d’expériences bioélectroniques, ce qui élargira notre compréhension des systèmes biologiques et soutiendra de nouveaux développements en ingénierie cellulaire et tissulaire », a expliqué Prominski.

À l’avenir, Prominski étend ses recherches avec Tian et Meng pour essayer de construire un meilleur modèle de la façon dont l’électronique nanostructurée s’interface avec les cellules et les tissus et quelles voies de signalisation sont activées. L’objectif est de permettre de nouvelles méthodes d’ingénierie tissulaire.

« Surmonter les coûts et les risques liés à l’implantation de dispositifs invasifs permettra une application généralisée des implants électroniques chez les patients pour une meilleure surveillance et des interventions thérapeutiques dans la future médecine personnalisée », a déclaré Prominski.


Une nouvelle méthode d’auto-assemblage crée de la bioélectronique à partir de structures microscopiques


Plus d’information:
Yin Fang et al, Auto-assemblage par Micelle de membranes de carbone poreuses et monolithiques pour les interfaces bioélectroniques, Nature Nanotechnologie (2020). DOI : 10.1038/s41565-020-00805-z

Fourni par l’Université de Chicago

Citation: La bioélectronique est mise à niveau avec une nouvelle approche pour créer des dispositifs plus stables et plus efficaces sur le plan électrique (2021, 9 août) récupéré le 9 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-bioelectronics-approach-stable-electrically-efficient. html

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