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Le dispositif d’implant imprimé en 3D stimule les nerfs dans le cerveau des oiseaux pour un traitement possible des maladies humaines – ImpressionEn3D.com

À l’aide d’un nouveau dispositif implantable microscopique imprimé en 3D, une équipe de chercheurs a réussi à enregistrer des impulsions électriques qui entraînent des vocalisations dans le système nerveux périphérique des oiseaux. Grâce à une technique personnalisée qui repose sur la microfabrication en couches minces et l’impression 3D à l’échelle nanométrique, ils ont pu fabriquer un nanoclip d’environ le diamètre d’un cheveu humain. C’est la première électrode de brassard pour enregistrer ou stimuler les nerfs périphériques qui a été fabriquée à une échelle compatible avec les plus petits nerfs du corps et pourrait conduire à un nouveau traitement pour un large éventail de maladies.

La technique, décrite dans un article du 21 août 2020 dans la revue Communications de la nature montre comment le chercheur principal Tim Gardner, un neuroscientifique au campus Phil et Penny Knight de l’Université de l’Oregon pour accélérer l’impact scientifique, ainsi que des chercheurs de l’Université de Boston et de la division bioélectronique de GlaxoSmithKline, ont pu fabriquer le nanoclip à une échelle compatible avec les plus petits nerfs de le corps. En outre, l’équipe de recherche de Gardner a décrit avec succès l’enregistrement d’impulsions électriques qui entraînent des vocalisations après l’implantation de l’appareil dans plusieurs pinsons zèbres mâles adultes, un type d’oiseau chanteur.

Selon Gardner, la recherche est considérée comme une avancée dans le domaine émergent de la médecine bioélectronique et pourrait éventuellement conduire à un nouveau traitement pour des maladies telles que le syndrome inflammatoire de l’intestin, la polyarthrite rhumatoïde et le diabète. Le but de la médecine bioélectronique est de décoder et de moduler les signaux du système nerveux périphérique pour obtenir un contrôle thérapeutique des organes terminaux et effecteurs ciblés. Les experts suggèrent que le domaine pourrait révolutionner la médecine et améliorer considérablement les résultats et réduire le coût des soins de santé en affectant les fonctions corporelles comme alternative ou complément aux interventions basées sur les médicaments. Pourtant, la miniaturisation des appareils est l’un des facteurs clés de succès de la future médecine bioélectronique, et selon les chercheurs de l’étude, le domaine repose toujours sur certains appareils à électrodes qui s’avèrent difficiles à travailler.

Gardner et ses collègues ont suggéré que le nanoclip peut décoder et moduler les signaux électriques voyageant dans le système nerveux périphérique, qui contient des nerfs et des cellules neuronales en dehors du cerveau et de la moelle épinière qui contrôlent les organes terminaux. De plus, la médecine bioélectronique cherche à moduler ces signaux pour traiter des problèmes chroniques tels que l’asthme, le contrôle de la vessie, l’hypertension, le syndrome des ovaires polykystiques, ou même la réponse inflammatoire dommageable dans certains cas de COVID-19.

«Je pense que de nombreux appareils futurs impliqueront une combinaison de microfabrication en couche mince utilisant des processus de salle blanche standard et d’impression 3D à l’échelle du micron», a déclaré Gardner, qui a rejoint l’Université de l’Oregon en juin 2019, après avoir passé des années dans son laboratoire à Département de génie biomédical de l’Université de Boston, où il a à l’origine effectué la plupart des recherches pour cette étude. «Cela s’applique aux implants biomédicaux ainsi qu’aux dispositifs pour la physique expérimentale et d’autres domaines.»

Les nanoclips de l’étude ont été produits à l’aide d’une imprimante 3D conçue par l’équipe de recherche. L’imprimante, a déclaré Gardner, peut fabriquer les périphériques jusqu’à 20 fois plus rapidement que les imprimantes existantes disponibles dans le commerce qui fonctionnent à une résolution similaire. L’interface nerveuse à l’échelle microscopique a été fabriquée à l’aide d’un système d’écriture laser directe personnalisé qui imprime l’ancre à partir de conceptions de fichiers CAO standard qui, dans ce cas, utilisaient le logiciel de conception 3D de Dassault Systèmes Solidworks. Grâce à la vitesse d’impression et à la conception numérique, les chercheurs ont pu fabriquer des nanoclips avec une gamme de tailles et de formes pour obtenir un ajustement optimal.

Pour réaliser un dispositif implantable qui correspond à l’échelle des petits nerfs, le réseau d’électrodes à couche mince était composé d’une couche d’or de 50 nanomètres encapsulée entre des couches de polyimide isolantes et biocompatibles. L’épaisseur et la largeur étroite du dispositif ont donné une faible rigidité en flexion, comparable à celle des tissus périphériques. L’électrode multi-sites à couche mince a été fabriquée sur mesure en utilisant des techniques de microfabrication à couche mince de polyimide et ensuite liée par fil à une carte de circuit imprimé pour la connexion à l’équipement de test.

En plus de réaliser des enregistrements stables et à rapport signal / bruit élevé des signaux nerveux pendant les vocalisations chez les 37 oiseaux mâles adultes pinson de zèbre utilisés tout au long de l’étude, l’appareil a permis aux chercheurs de contrôler avec précision la sortie du nerf. Ils ont pu évoquer des vocalisations distinctes pour différents modèles spatiaux d’activation sur six contacts électriques dans le nanoclip. Ce type de contrôle spatio-temporel peut être utile pour les futurs implants biomédicaux qui cherchent non seulement à activer un nerf, mais le font avec une sélectivité spatiale pour des structures spécifiques au sein des nerfs qui ont des fonctions différentes dans l’organe terminal, ont décrit les auteurs de l’étude.

L’une des principales caractéristiques du dispositif était la facilité d’implantation chirurgicale, qui reste un problème important en suspens dans la future médecine bioélectronique.

«Imaginez que vous deviez manipuler un petit nerf et y agripper un appareil à l’aide d’une pince pour ouvrir une électrode de brassard et la positionner sur le nerf. La micromanipulation requise avec les électrodes de brassard de courant peut endommager les plus petits nerfs. En revanche, le nanoclip fabriqué en 3D peut être implanté en le poussant simplement sur le nerf. Cette facilité d’implantation peut permettre un trou de serrure ou une autre chirurgie mini-invasive », a expliqué Gardner. «Cette étude est vraiment un test précoce pour de nouvelles méthodes de fabrication axées sur les structures submillimétriques. L’un des objectifs du travail de mon laboratoire du Knight Campus est d’affiner les méthodes d’intégration de la fabrication de couches minces et de l’impression 3D à résolution micronique et d’utiliser ces outils pour créer de nouveaux types d’appareils.

Les co-auteurs de l’étude ont estimé que leur nano-dispositif était en mesure de fournir une nouvelle référence pour l’implant sûr, des enregistrements stables à rapport signal / bruit élevé sur des délais de plusieurs semaines et une modulation précise des petits nerfs périphériques. Bien que le développement du nanoclip tire parti d’autres appareils utilisés depuis des décennies, ici, les chercheurs ont pu combiner plusieurs facteurs pour adapter étroitement l’appareil au nerf. Bien que cette étude ait été un succès, les chercheurs s’attendent à ce que de futurs travaux de base sur des espèces et des nerfs supplémentaires soient nécessaires pour valider davantage le potentiel du nanoclip.

Les auteurs ont conclu que pour faire progresser la thérapeutique bioélectronique, la science fondamentale de la signalisation nerveuse en relation avec la fonction physiologique doit être développée. En déclarant que «la plupart des études existantes ne fournissent que de brefs instantanés de la fonction nerveuse – généralement à des moments proches de la chirurgie ou plus tard sous anesthésie – et peuvent ne pas révéler le véritable fonctionnement de base des nerfs. Ces enregistrements intermittents sont mal adaptés pour suivre de manière fiable les signaux au fil du temps, ce qui rend difficile de discerner comment la dynamique des circuits périphériques est façonnée sur des échelles de temps plus longues par les processus de développement, de maladie et de restauration.

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Soutenue par les National Institutes of Health (NIH) et un accord de recherche sponsorisé avec GlaxoSmithKline, la recherche a démontré que les nanoclips de taille précise pouvaient atteindre une modulation fonctionnelle précise d’un syrinx d’oiseau chanteur. L’auteur principal de l’étude, Timothy Otchy, professeur adjoint de recherche à l’Université de Boston, avec ses collègues, a démontré un contrôle flexible et précis d’un organe d’extrémité. Mettre à portée de main une nouvelle génération de thérapies bioélectroniques centrée sur le contrôle en boucle fermée de la fonction des circuits périphériques et pourrait devenir la clé pour faire progresser les soins de santé dans les décennies à venir.

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