Porcupine Quills & Gecko Feet Inspire Medical Materials

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Les conceptions de la nature influencent les nouvelles conceptions dans de nombreux secteurs.

Velcro® a été inspiré par le grappin des bavures. Les jets supersoniques ont des structures qui fonctionnent comme les narines des faucons pèlerins lors d’une plongée rapide. Les maillots de bain complets, désormais bannis des Jeux olympiques, donnent aux athlètes une forme lisse et profilée comme celle du poisson.

Les conceptions de Nature proposent également aux chercheurs financés par les Instituts nationaux de la santé des idées sur de nouvelles technologies qui pourraient aider les plaies à guérir, rendre les injections moins douloureuses et fournir de nouveaux matériaux à diverses fins.

Compétences de plume

Les piquants du porc-épic nord-américain possèdent des pointes semblables à des aiguilles, armées de couches de 700 à 800 barbes microscopiques. Comme les chiens curieux et les prédateurs potentiels le découvrent, les barbes tournées vers l’arrière rendent difficile le fait d’enlever les épines de la chair.

Pour les scientifiques, la capacité des piquants à saisir la chair fait penser à une myriade d'applications. Prenez, par exemple, les travaux de Jeffrey Karp de l'Université Harvard, de l'hôpital Brigham and Women's, du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de son collègue de Harvard / MIT, Robert Langer. Ces chercheurs ont créé des disques de ruban adhésif médical imprégnés de barbes microscopiques. Ils testent les patchs en tant qu'outils pour réparer les hernies ou fermer les plaies chirurgicales et pensent que les disques pourraient présenter des avantages par rapport aux maillages et aux agrafes actuellement utilisés.

Les piquants de porc-épic ont donné aux chercheurs de nouvelles idées sur la façon de fabriquer des dispositifs médicaux et des matériaux présentant les caractéristiques souhaitées.

Les piquants de porc-épic ont donné aux chercheurs de nouvelles idées sur la façon de fabriquer des dispositifs médicaux et des matériaux présentant les caractéristiques souhaitées.

Crédit: Shutterstock

Les mêmes chercheurs ont récemment examiné les piquants de porc-épic dans une perspective complètement différente. Ce qui les intriguait le plus n’était pas la difficulté à retirer les piquants, mais la facilité avec laquelle les tiges pénètrent dans la peau. Les piquants barbelés se glissent encore plus facilement dans la chair que ceux sans ardillon - ou que les aiguilles hypodermiques du même diamètre.

Les scientifiques ont découvert, à leur grande surprise, que le pouvoir de perforation d'une plume provient de son extrémité barbelée. Les ardillons semblent fonctionner comme les pointes d'un couteau dentelé, concentrant la pression sur de petites zones pour faciliter la pénétration. Parce qu'ils nécessitent beaucoup moins de force pour percer la peau, les tiges cannelées ne font pas autant mal quand elles pénètrent dans la chair que leurs homologues à extrémité lisse.

Pour les chercheurs, les piquants à ardillon sont un point de départ pour la conception d’aiguilles permettant des injections moins douloureuses. Pour résoudre le problème épineux - et potentiellement douloureux - du retrait des aiguilles à ardillon, les scientifiques suggèrent de créer des ardillons synthétiques qui ramollissent ou se dégradent après la pénétration, ou de ne placer les ardillons que sur les zones de l'aiguille où ils faciliteraient l'entrée mais ne gêneraient pas la sortie.

Gecko Grip

Les geckos peuvent grimper sur les murs et marcher le long des plafonds parce que leurs pieds sont recouverts d'une couche dense de projections en forme de doigts. Chaque projection, longue de quelques millièmes de pouce et beaucoup plus fine qu’un cheveu humain, se termine par une touffe de centaines de fibres nanométriques appelées spatules. La pointe de chaque spatule s'élargit et s'aplatit pour former un triangle arrondi, un peu comme une spatule de cuisine. Ensemble, les spatules à l'échelle nanométrique augmentent considérablement la zone de contact entre le pied du gecko et la surface.

En pensant aux pieds de lézard, Karp et Langer ont créé un adhésif médical biocompatible comportant un motif de piliers nanométriques afin de maximiser la zone de contact. Le matériau peut adhérer à une variété de surfaces tissulaires, y compris celles qui sont irrégulières et changent de forme.

Malheureusement, le matériau n'est pas assez collant pour créer un joint étanche à l'air et à l'air, de sorte qu'il ne peut pas être utilisé seul sur les organes internes. En revanche, la colle de qualité médicale existante peut sceller les plaies de manière serrée et rapide, mais elle peut également provoquer une irritation des tissus.

Les scientifiques ont combiné les deux produits pour créer une solution idéale: un ruban inspiré du gecko et recouvert d'une fine couche de colle. Le nouveau ruban épouse parfaitement les surfaces, la colle colmate les petits espaces et le produit entier n'irrit pas les tissus. Ces caractéristiques pourraient le rendre approprié pour des applications telles que la réparation de vaisseaux sanguins ou le colmatage de trous dans le tube digestif.

Chaque partie d'une toile d'araignée est forte et élastique, mais seuls certains brins sont collants. Ces caractéristiques ont incité les scientifiques à concevoir un adhésif médical plus doux pour les peaux délicates.

Chaque partie d'une toile d'araignée est forte et élastique, mais seuls certains brins sont collants. Ces caractéristiques ont incité les scientifiques à concevoir un adhésif médical plus doux pour les peaux délicates.

Crédit: Hellen Grig, Shutterstock

Collant soyeux

La soie d'araignée est solide (cinq fois plus résistante que l'acier en poids), extensible et légère. Une certaine soie est collante pour attraper une proie, et certaines ne doivent pas laisser l’araignée se précipiter le long de celle-ci.

Karp, Langer et leur associé postdoctoral Bryan Laulicht ont cherché à créer un autre nouveau produit médical ayant des propriétés similaires: un adhésif pelable et pelable qui n'endommage pas la surface sous-jacente. Ce type de ruban serait particulièrement utile pour maintenir les tubes ou les capteurs en place sur les peaux délicates, y compris les nouveau-nés et les personnes âgées.

À titre de référence, les scientifiques se sont d'abord tournés vers le ruban médical traditionnel, qui, comme le ruban de masquage domestique, est fabriqué en étalant un adhésif collant sur un support mince. Mais au lieu de pulvériser immédiatement l'adhésif sur le support, les chercheurs ont tout d'abord appliqué un film à base de silicium. Puis, avec un autre clin d'œil au motif à l'échelle nanométrique sur les pieds de gecko, ils ont utilisé un laser pour graver un motif de grille microscopique sur le film. Enfin, ils ont ajouté la couche collante.

Le long des lignes de la grille, où le laser a brûlé le film, le support touche l'adhésif et le produit agit comme un ruban adhésif normal. Dans les zones non touchées par le laser, le support flotte sur le film de silicium et se soulève facilement, laissant derrière lui une couche d'adhésif qui se dissipe naturellement ou qui peut être enlevée avec une légère pression du doigt.

Essentiellement, le produit obtenu présente des zones collantes et non collantes, tout comme une toile d'araignée. Il continue facilement, adhère bien et, mieux encore, se détache doucement, même lorsqu'il est tiré rapidement en cas d'urgence.

Karp n'est pas surpris d'apprendre que l'étude du monde naturel peut révéler des solutions aux problèmes médicaux. "Je crois fermement que l'évolution est vraiment le meilleur solutionneur de problèmes", a-t-il déclaré, ajoutant que nous avions encore beaucoup à apprendre de la nature.

Apprendre encore plus:

Vidéo sur les recherches de Jeffrey Karp

Aussi dans cette série:

Nature: le maître fabricant de médicaments

Cet article intitulé Inside Life Science a été fourni à WordsSideKick.com en coopération avec l'Institut national des sciences médicales générales, qui fait partie du National Institutes of Health.


Supplément Vidéo: YIKES! Quilled by a Porcupine!.




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