En tirant parti d’un phénomène qui conduit à des fractures dans le métal, les chercheurs du MIT ont conçu des dispositifs médicaux qui pourraient être utilisés à l’intérieur du corps comme stents, agrafes ou dépôts de médicaments, puis décomposés en toute sécurité à la demande lorsqu’ils ne sont plus nécessaires.
Les chercheurs ont montré que les dispositifs biomédicaux fabriqués à partir d’aluminium peuvent être désintégrés en les exposant à un métal liquide appelé gallium-indium eutectique (EGaIn). En pratique, cela pourrait fonctionner en peignant le liquide sur des agrafes utilisées pour maintenir la peau ensemble, par exemple, ou en administrant des microparticules d’EGaIn aux patients.
Selon les chercheurs, déclencher la désintégration de tels dispositifs de cette manière pourrait éliminer le besoin de procédures chirurgicales ou endoscopiques pour les retirer.
“C’est un phénomène vraiment dramatique qui peut être appliqué à plusieurs contextes”, explique Giovanni Traverso, professeur adjoint de développement de carrière Karl van Tassel en génie mécanique au MIT et gastro-entérologue au Brigham and Women’s Hospital. “Ce que cela permet, potentiellement, c’est la possibilité d’avoir des systèmes qui ne nécessitent pas d’intervention telle qu’une endoscopie ou une intervention chirurgicale pour le retrait des dispositifs.”
Traverso est l’auteur principal de l’étudequi apparaît dans Matériaux avancés. Vivian Feig, postdoctorante au MIT, est l’auteur principal de l’article.
Décomposer les métaux
Depuis plusieurs années, le laboratoire de Traverso travaille sur des dispositifs ingérables qui pourraient rester dans le tube digestif pendant des jours ou des semaines, libérant des médicaments selon un calendrier précis.
La plupart de ces appareils sont fabriqués à partir de polymères, mais récemment, les chercheurs ont exploré la possibilité d’utiliser des métaux, qui sont plus solides et plus durables. Cependant, l’un des défis de la livraison d’appareils métalliques est de trouver un moyen de les retirer une fois qu’ils ne sont plus nécessaires.
Pour créer des dispositifs pouvant être décomposés à la demande à l’intérieur du corps, l’équipe du MIT s’est inspirée d’un phénomène connu sous le nom de fragilisation par le métal liquide. Ce processus a été bien étudié comme source de défaillance dans les structures métalliques, y compris celles en zinc et en acier inoxydable.
« Il est connu que certaines combinaisons de métaux liquides peuvent en fait pénétrer dans les joints de grains des métaux solides et les affaiblir considérablement et les faire échouer », explique Feig. “Nous voulions voir si nous pouvions exploiter ce mécanisme de défaillance connu de manière productive pour construire ces dispositifs biomédicaux.”
Un type de métal liquide qui peut induire une fragilisation est le gallium. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé l’eutectique gallium-indium, un alliage de gallium que les scientifiques ont exploré pour une variété d’applications en biomédecine ainsi que l’énergie et l’électronique flexible.
Pour les appareils eux-mêmes, les chercheurs ont choisi d’utiliser de l’aluminium, qui est connu pour être sensible à la fragilisation lorsqu’il est exposé au gallium.
Le gallium affaiblit les métaux solides tels que l’aluminium de deux manières. Premièrement, il peut se diffuser à travers les joints de grains du métal – les lignes de démarcation entre les cristaux qui composent le métal – provoquant la rupture de morceaux de métal. L’équipe du MIT a montré qu’elle pouvait exploiter ce phénomène en concevant des métaux avec différents types de structures granulaires, permettant aux métaux de se briser en petits morceaux ou de se fracturer en un point donné.
Le gallium empêche également l’aluminium de former une couche d’oxyde protectrice à sa surface, ce qui augmente l’exposition du métal à l’eau et favorise sa dégradation.
L’équipe du MIT a montré qu’après avoir peint du gallium-indium sur des appareils en aluminium, les métaux se désintégreraient en quelques minutes. Les chercheurs ont également créé des nanoparticules et des microparticules de gallium-indium et ont montré que ces particules, en suspension dans un fluide, pouvaient également décomposer les structures en aluminium.
Désintégration à la demande
Alors que les chercheurs ont commencé cet effort comme un moyen de créer des dispositifs pouvant être décomposés dans le tractus gastro-intestinal, ils ont rapidement réalisé qu’il pouvait également être appliqué à d’autres dispositifs biomédicaux tels que les agrafes et les stents.
Pour démontrer les applications GI, les chercheurs ont conçu un dispositif en forme d’étoile, avec des bras attachés à un élastomère central par un tube creux en aluminium. Les médicaments peuvent être transportés dans les bras et la forme de l’appareil permet de le retenir dans le tractus gastro-intestinal pendant une période prolongée. Dans une étude sur des animaux, les chercheurs ont montré que ce type de dispositif pouvait être décomposé dans le tractus gastro-intestinal lors d’un traitement au gallium-indium.
Les chercheurs ont ensuite créé des agrafes en aluminium et ont montré qu’elles pouvaient être utilisées pour maintenir les tissus ensemble, puis dissoutes avec un revêtement de gallium-indium.
“À l’heure actuelle, le retrait des agrafes peut en fait induire davantage de lésions tissulaires”, déclare Feig. “Nous avons montré qu’avec notre formulation de gallium, nous pouvons simplement le peindre sur les agrafes et les faire se désintégrer à la demande à la place.”
Les chercheurs ont également montré qu’un stent en aluminium qu’ils ont conçu pouvait être implanté dans le tissu œsophagien, puis décomposé par le gallium-indium.
Actuellement, les endoprothèses œsophagiennes sont soit laissées dans le corps de façon permanente, soit retirées par endoscopie lorsqu’elles ne sont plus nécessaires. De tels stents sont souvent fabriqués à partir de métaux tels que le nitinol, un alliage de nickel et de titane. Les chercheurs travaillent maintenant pour voir s’ils pourraient créer des dispositifs solubles à partir de nitinol et d’autres métaux.
“Une chose passionnante à explorer du point de vue de la science des matériaux est : pouvons-nous prendre d’autres métaux qui sont plus couramment utilisés en clinique et les modifier afin qu’ils puissent également devenir activement déclenchables ?” dit Feig.
Dans cette étude, les chercheurs ont mené des études de toxicité initiales chez les rongeurs et ont découvert que le gallium-indium n’était pas toxique même à fortes doses. Cependant, d’autres études seraient nécessaires pour s’assurer qu’il serait sûr de l’administrer aux patients, selon les chercheurs.
La recherche a été financée par la Fondation Bill et Melinda Gates, le Département de génie mécanique du MIT, la Division de gastroentérologie du Brigham and Women’s Hospital, le Schmidt Science Fellows Program et le Rhodes Trust.
Les autres auteurs de l’article incluent Eva Remlova, Benjamin Muller, Johannes Kuosmanen, Nikhil Lal, Anna Ginzburg, Kewang Nan, Ashka Patel, Ahmad Mujtaba Jebran, Meghan Bantwal, Niora Fabian, Keiko Ishida, Joshua Jenkins, Jan-Georg Rosenboom, Sanghyun Park , Madani Tent et Alison Hayward.
