Les ingénieurs intègrent l’art dans de nouveaux appareils

Nov 15, 2023

L'origami, l'art de plier du papier en objets tridimensionnels, est une pure expression de l'esthétique et de la géométrie. Les artistes « enseignent » une feuille de papier en la positionnant, en la tenant et en la pliant selon des motifs précis, les plis devenant des « souvenirs » dans ses fibres. Le créer peut être fascinant, voire joyeux. Mais il présente de nombreuses autres applications et avantages potentiels, et l’un d’eux est la conception de tissus hépatiques artificiels pour le dépistage de thérapies médicales.

Carol Livermore, Ph.D., est professeure agrégée de génie mécanique à la Northeastern University. « Mon laboratoire travaillait sur des techniques d'assemblage dirigé de minuscules objets, notamment des cellules, sur des surfaces planes. Nous disposions déjà d’une excellente technique pour placer différentes tailles ou types de cellules là où nous le souhaitions, mais seulement tant que le tissu nécessaire était plat.

Lors d'un brainstorming avec son équipe, le Dr Livermore s'est penché sur l'origami comme moyen d'exploiter des motifs 2D dans des objets 3D. « L'origami crée toutes sortes de formes fascinantes, mais il possède d'autres caractéristiques moins connues. Par exemple, vous pouvez concevoir des structures de manière à ce qu'il n'y ait qu'un seul résultat probable lorsque vous les pliez.

Leur projet a reçu un financement de 2 millions de dollars de la National Science Foundation (NSF) et du Bureau de recherche scientifique de l'US Air Force, l'un des nombreux projets explicitement requis pour utiliser l'origami à des fins d'ingénierie importantes et pour inclure des artistes de l'origami et des mathématiciens.

Avec à son bord le physicien et maître de l'origami Robert J. Lang, Ph.D., l'équipe a découvert les conceptions d'origami à « un seul degré de liberté ». "Fondamentalement, si vous dessinez les plis aux bons endroits, puis laissez une main fixe en place et que l'autre main saisisse une autre partie de la feuille, la direction que prendra un pli devient entièrement prévisible", a déclaré le Dr Livermore. "Cette fiabilité est très importante pour les résultats techniques."

La fonction hépatique est difficile à reproduire. Dans le tissu hépatique, le sang circule par de minuscules voies, appelées sinusoïdes, afin que les molécules puissent atteindre les différentes couches d'hépatocytes qui filtrent les substances du sang.

« Ce motif se répète encore et encore dans un bloc de tissu. Si les nutriments et les produits chimiques qui doivent être traités par le foie ne peuvent pas atteindre un hépatocyte, celui-ci ne prospérera pas ou ne sera pas utile, et toutes ces couches incroyablement fines sont nécessaires. Ensuite, vous avez besoin d'un flux à travers les vaisseaux sanguins et d'une diffusion à travers les couches endothéliales. Cela permet aux substances d'atteindre les hépatocytes, tout en les protégeant des contraintes de cisaillement du flux qui les traverse », a expliqué le Dr Livermore.

L'origami, automatiquement une structure en couches, était une solution optimale. Dans le tissu artificiel de l'origami, les cellules ont été ensemencées sur une membrane robuste en polycarbonate nanoporeuse recouverte de collagène pour maintenir la viabilité des cellules, avec de minuscules pores fonctionnant comme des couches endothéliales qui tapissent les sinusoïdes. « Nous pourrions désormais placer les hépatocytes d’un côté et les cellules endothéliales de l’autre. Nous avions un flux de milieu de culture cellulaire, comme du sang artificiel, d’un côté de la membrane nanoporeuse, et des hépatocytes et du milieu de culture cellulaire de l’autre, ainsi qu’une diffusion à travers la membrane, amenant les nutriments vers les hépatocytes.

Pour diriger le flux, du ruban Kapton® double face a été utilisé, avec des trous découpés au laser à intervalles précis. Ensuite, les rubans double face et les membranes ont été pliés en accordéon à 90 degrés, encore et encore (pour visualiser, assemblez deux bandes de papier à angle droit et pliez). Les trous dans le ruban plié créaient un chemin d’écoulement. « Ce qui est cool, c’est que cela nous a donné la possibilité de reproduire raisonnablement ce qui se passe dans le corps. Le motif origami a été plié manuellement de manière déterministe, ses plis prédéfinis au laser ; une imitation technique de la façon dont les artistes d’origami présentent leur travail.

La Dre Livermore et son équipe ont récemment terminé le projet NSF, atteignant ainsi leur premier objectif : créer des dispositifs en tissu artificiel qui fonctionnent et réagissent au traitement médicamenteux comme le feraient les tissus humains.

Comme l’origami, le kirigami implique le pliage, mais permet également le découpage et le collage. Katia Bertoldi, Ph.D., chercheuse principale du groupe Bertoldi à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l'Université Harvard, expérimente depuis longtemps cette forme, par exemple en développant des robots mous qui se déplacent comme des serpents, avec des écailles de kirigami pour locomotion. "Kirigami est une plate-forme simple, introduisant des découpes dans le papier, mais c'est fascinant ce que l'on peut faire avec - tant de formes intéressantes qui se transforment et se transforment."