Nager en amont sur les ondes sonores

Des chercheur·ses de l'ETH Zurich sont parmi les premier·es scientifiques à avoir réussi à propulser des microvéhicules contre un flux de fluide à l'aide d'ultrasons. A l'avenir, ces minuscules véhicules devraient être introduits dans la circulation sanguine humaine, révolutionnant ainsi le domaine de la médecine.
Un microessaim auto-assemblé (en rouge) est capable de nager à contre-courant du flux sanguin le long d'une paroi capillaire. (Visualisation : Ahmed et al. Nature Machine Intelligence 2021)

Bientôt, des microvéhicules suffisamment petits pour naviguer dans nos vaisseaux sanguins permettront aux médecins de faire des biopsies, d'insérer des stents et d'administrer des médicaments avec précision à des endroits difficiles d'accès, tout cela depuis l'intérieur du corps. Les scientifiques du monde entier sont actuellement en train de rechercher et de développer des microvéhicules adaptés. Dans la plupart des cas, ils sont alimentés et contrôlés par des champs acoustiques et magnétiques ou par la lumière. Cependant, jusqu'à présent, la propulsion des microvéhicules contre un flux de fluide s'est avérée être un défi majeur. Cela serait nécessaire pour que les micromachines puissent naviguer dans les vaisseaux sanguins à l'encontre de la direction du flux sanguin. Les chercheur·ses de l'ETH Zurich ont maintenant développé des microvéhicules qui sont manipulés par un champ externe et peuvent nager à contre-courant.

Dans leur expérience en laboratoire, l'équipe de recherche dirigée par Daniel Ahmed et Bradley Nelson, professeurs au département de génie mécanique et des procédés de l'ETH Zurich, a utilisé des billes magnétiques faites d'oxyde de fer et d'un polymère d'un diamètre de 3 micromètres. Un champ magnétique amène ces particules à se regrouper en un essaim d'un diamètre compris entre 15 et 40 micromètres. Les scientifiques ont étudié le comportement de cet essaim dans un mince tube de verre traversé par un liquide. Les tubes de verre avaient un diamètre de 150 à 300 micromètres, une taille similaire à celle des vaisseaux sanguins d'une tumeur.

Pour propulser le microessaim à contre-courant dans le tube, les chercheur·ses de l'ETH Zurich ont appliqué la même tactique que les canoéistes utilisent sur une rivière : il·les embrassent la rive pour pagayer en amont, car la friction de la rive y rend le courant plus lent qu'au milieu de la rivière.

Des essaims de microbilles sont transportés par un flux de droite à gauche. Des ondes ultrasonores et un champ magnétique tournant peuvent être utilisés pour propulser les essaims dans le sens inverse du flux. (Vidéo : ETH Zürich)

En utilisant des ultrasons à une fréquence spécifique, les scientifiques ont d'abord guidé l'amas de microbilles près de la paroi du tube. Ensuite, les chercheur·ses sont passé·es à un champ magnétique rotatif pour propulser l'essaim à contre-courant.

La prochaine étape consistera à étudier la réaction des microvéhicules dans les vaisseaux sanguins des animaux. «Comme les ondes ultrasonores et les champs magnétiques pénètrent tous deux dans les tissus corporels, notre méthode est idéale pour contrôler les microvéhicules à l'intérieur du corps», explique le professeur Daniel Ahmed de l'ETH Zurich.

La microchirurgie, comme le déblocage des vaisseaux sanguins obstrués, est l'une des futures applications que les chercheur·ses espèrent voir servir par cette méthode. En outre, les microvéhicules pourraient un jour être utilisés pour administrer des médicaments anticancéreux aux tumeurs par l'intermédiaire des vaisseaux sanguins et les libérer directement dans le tissu tumoral. Enfin, un autre domaine d'application est le transfert de médicaments des vaisseaux sanguins vers les tissus du cerveau.

Référence

Ahmed D, Sukhov A, Hauri D, Rodrigue D, Maranta G, Harting J, Nelson BJ: Bioinspired acousto-magnetic microswarm robots with upstream motility, Nature Machine Intelligence, 11 January 2021, doi: 10.1038/s42256-020-00275-x