Une équipe de recherche internationale sous la direction du Prof. Ehud Gazit de l’Ecole de biomédecine et de recherche sur le cancer et du Département des sciences et l'ingénierie des matériaux de l’Université de Tel-Aviv, ont développé un matériau biologique innovant, semblable au collagène, permettant de générer un courant électrique « vert » dans le corps humain, grâce à l’activation naturelle des organes (force mécanique). La nouvelle technologie pourra être utilisée pour activer les implants corporels par le biais des mouvements naturels du corps, par exemple recharger les stimulateurs cardiaques en utilisant les battements du cœur, sans besoin de pile, et également pour de nombreuses autres applications.
L’étude, réalisée par les Dr. Santu Bera et Wei Ji du laboratoire du Prof. Gazit, et à laquelle ont également participé des chercheurs de l'Institut Weizmann et de divers instituts de recherche en Irlande, en Chine et en Australie, a été publiée dans la prestigieuse revue Nature Communications.
« Le collagène est la protéine la plus courante du corps humain; elle représente environ 30% de toutes les protéines de notre corps. Il s’agit d’une substance organique possédant une structure moléculaire hélicoïdale, dotée d’une variété de propriétés physiques importantes, comme la résistance mécanique et la flexibilité, qui la rendent adaptée à de nombreux usages », explique le Prof. Ehud Gazit, qui est également le fondateur du Centre Blavatnik pour la découverte de nouveaux médicaments de l’UTA. « Cependant, c’est une molécule grande et complexe, et les chercheurs recherchent depuis longtemps une molécule plus petite, courte et simplifiée, basée sur le collagène et présentant des propriétés similaires ».
Un minuscule moteur sans danger pour l'organisme
« Il y a environ un an et demi, notre groupe a publié dans la revue Nature Materials une étude dans le cadre de laquelle nous avons utilisé des moyens nanotechnologiques pour concevoir un nouveau matériau biologique répondant à ces exigences. Il s'agit d'un tripeptide, très courte molécule composée de trois acides aminés, appelée Hyp-Phe-Phe, capable, par un simple processus d'auto-assemblage, de créer une structure en forme d'hélice semblable au collagène, flexible et possédant une résistance similaire à celle du titane. Dans notre étude actuelle, nous avons cherché à vérifier si ce nouveau matériau que nous avons développé possèdait également un autre trait caractéritique du collagène, la piézoélectricité, ou capacité d'un matériau à créer un courant et une tension électriques sous l'action d'une contrainte mécanique, et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique ».
Dans le cadre de l'étude, les chercheurs ont fabriqué des structures nanométriques de ce matériau et, à l'aide d'équipements nanotechnologiques de pointe, leur ont appliqué une pression mécanique. L'expérience a révélé que le matériau produit bien du courant et de la tension électrique sous l'application d'une pression. De plus, ces minuscules structures de l'ordre de quelques centaines de nanomètres ont montré une piézoélectricité parmi les plus élevées jamais découvertes, comparable voire supérieure à celle des matériaux piézoélectriques couramment utilisés sur le marché aujourd'hui, dont la plupart contiennent du plomb, et sont donc impropres aux applications médicales.
Selon les chercheurs, la découverte d'une piézoélectricité de cette ampleur dans un matériau nanométrique est d'une grande importance, car elle démontre la capacité du matériau fabriqué à servir de sorte de minuscule moteur pour de très petits appareils. Les chercheurs ont ensuite utilisé des méthodes de cristallographie et de calcul de mécanique quantique (théorie de la fonctionnelle de la densité) afin de comprendre en profondeur le comportement piézoélectrique de ce matériau, pour permettre une fabrication précise de cristaux pouvant servir à la construction de dispositifs biomédicaux.
Produire de l'énergie verte en utilisation une énergie mécanique qui se créée de toute façon
« La plupart des matériaux piézoélectriques connus aujourd'hui sont des matériaux toxiques à base de plomb, ou des polymères, ce qui signifie qu'ils ne sont pas respectueux de l'environnement et sont nocifs pour le corps humain », ajoute le Prof. Gazit. « Notre nouveau matériau, au contraire, est complétement biologique et donc convient à l'utilisation à l'intérieur du corps. Par exemple, un dispositif composé de cette matière pourrait remplacer la batterie qui fournit de l'énergie aux implants tels que les stimulateurs cardiaques, qui doit être remplacée par opération chirurgicale lorsqu’elle arrive en fin de vie. Notre dispositif, au contraire, sera rechargé par les mouvements du corps, comme les battements du coeur, les mouvements des machoires, les mouvements de l'intestin ou tout autre mouvement qui se produit dans le corps de manière permanente, et l’électricité ainsi fournie fera fonctionner l'implant de manière durable ».
Les chercheurs poursuivent à présent leurs recherches pour comprendre les mécanismes moléculaires de ce nouveau matériau, dans le but de mettre à profit son immense potentiel et transformer cette découverte scientifique en technologie appliquée. À ce stade, l'accent est mis sur le développement de dispositifs médicaux, mais le Prof. Gazit souligne que « les matériaux piézoélectriques respectueux de l'environnement, tels que celui que nous avons développé, ont un potentiel énorme dans des domaines nombreux et variés, car ils produisent de l'énergie verte en utilisant une énergie mécanique qui se créé de toute façon. Ainsi par exemple, une voiture qui roule sur une route pourra allumer l'éclairage de la rue. Ces matériaux pourront également remplacer les matériaux piézoélectriques contenant du plomb actuellement largement utilisés, mais qui soulèvent des inquiétudes quant aux fuites toxiques pour l'environnement ».
Suite aux résultats obtenus, les chercheurs ont récemment reçu deux subventions ERC-POC visant à traduire en technologie appliquée les recherches scientifiques réalisées par le Prof. Gazit grâce à une précédente subvention de l’ERC.
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Le Prof. Ehud Gazit (Crédit: Université de Tel-Aviv)
