Dans un processus aussi simple que de mélanger des œufs et de la farine dans des crêpes, des chercheurs de l’Université de l’Oregon ont mélangé des molécules fluorescentes en forme d’anneau dans un nouveau processus d’impression 3D. Le résultat : des structures lumineuses complexes qui soutiennent le développement de nouveaux types d’implants biomédicaux.
Cette avancée résout un défi de conception de longue date en rendant les structures plus faciles à suivre et à surveiller au fil du temps à l’intérieur du corps, permettant ainsi aux chercheurs de distinguer facilement ce qui fait partie d’un implant et ce qui constitue des cellules ou des tissus.
La découverte est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire d’ingénierie de Paul Dalton sur le campus Phil et Penny Knight pour accélérer l’impact scientifique et le laboratoire de chimie de Ramesh Jasti au Collège des arts et des sciences de l’UO. Les chercheurs décrivent leurs découvertes dans un article publié cet été dans le journal Petit.
« Je pense que c’était un de ces moments étranges où nous disions : ‘Essayons’, et cela a fonctionné presque immédiatement », a déclaré Dalton.
Mais derrière cette simple histoire d’origine se cachent des années de recherche spécialisée et d’expertise dans deux domaines très différents avant qu’ils ne se réunissent finalement.
Le laboratoire de Dalton est spécialisé dans les formes nouvelles et complexes d’impression 3D. Le développement phare de son équipe est une technique appelée électroécriture par fusion, qui permet d’imprimer en 3D des objets relativement grands avec une résolution très fine. Grâce à cette technique, l’équipe a imprimé des échafaudages en maille qui pourraient être utilisés pour différents types d’implants biomédicaux.
De tels implants pourraient être utilisés pour des applications aussi diverses que les nouvelles technologies de cicatrisation des plaies, les vaisseaux sanguins artificiels ou les structures aidant à régénérer les nerfs. Dans un projet récent, le laboratoire a collaboré avec la société de cosmétiques L’Oréal, en utilisant les échafaudages pour créer un peau artificielle multicouche réaliste.
Le laboratoire de Jasti, quant à lui, est connu pour ses travaux sur les nanocerceaux, molécules à base de carbone en forme d’anneau qui ont une variété de propriétés intéressantes et sont réglables en fonction de la taille et de la structure précises des cerceaux en forme d’anneau. Les nanocerceaux émettent une fluorescence intense lorsqu’ils sont exposés à la lumière ultraviolette, émettant différentes couleurs en fonction de leur taille et de leur structure.
Les deux laboratoires seraient peut-être restés dans leur propre voie sans une conversation informelle lorsque Dalton était un nouveau professeur à l’UO, désireux d’établir des liens et de rencontrer d’autres membres du corps professoral. Lui et Jasti ont lancé l’idée d’incorporer les nanocerceaux dans les échafaudages 3D sur lesquels Dalton travaillait déjà. Cela ferait briller les structures, une fonctionnalité utile qui faciliterait le suivi de leur devenir dans le corps et la distinction des structures de leur environnement.
« Nous pensions que cela ne fonctionnerait probablement pas », a déclaré Jasti. Mais ce fut le cas, assez rapidement.
Les gens avaient essayé de faire briller les échafaudages dans le passé, sans grand succès, a déclaré Dalton. La plupart des molécules fluorescentes se décomposent sous la longue exposition à la chaleur nécessaire à sa technique d’impression 3D. Les nanocerceaux du laboratoire Jasti sont beaucoup plus stables à haute température.
Bien que les deux groupes puissent donner l’impression que leur métier est facile, « faire des nanocerceaux est vraiment difficile, et l’électroécriture par fusion est vraiment difficile à faire, donc le fait que nous ayons pu fusionner ces deux domaines très complexes et différents en quelque chose de vraiment simple est incroyable, » a déclaré Harrison Reid, un étudiant diplômé du laboratoire de Jasti.
Selon les chercheurs, une petite quantité de nanocerceaux fluorescents mélangée au mélange de matériaux d’impression 3D produit des structures lumineuses de longue durée. La fluorescence étant activée par la lumière UV, les échafaudages semblent toujours clairs dans des conditions normales.
Bien que le concept initial ait fonctionné très rapidement, il a fallu plusieurs années de tests supplémentaires pour évaluer pleinement le matériau et évaluer son potentiel, a déclaré Patrick Hall, un étudiant diplômé du laboratoire de Dalton.
Par exemple, Hall et Dalton ont effectué une batterie de tests pour confirmer que l’ajout de nanocerceaux n’affectait pas la résistance ou la stabilité du matériau imprimé en 3D. Ils ont également confirmé que l’ajout de molécules fluorescentes ne rendait pas le matériau résultant toxique pour les cellules, ce qui est important pour les applications biomédicales et constitue une base de référence clé qui doit être respectée avant de pouvoir se rapprocher d’une application humaine.
L’équipe envisage une gamme d’applications possibles pour les matériaux lumineux qu’ils ont créés. Dalton est particulièrement intéressé par le potentiel biomédical, mais un matériau personnalisable qui brille sous la lumière UV pourrait également être utilisé dans des applications de sécurité, a déclaré Jasti.
Ils ont déposé une demande de brevet pour cette avancée et espèrent éventuellement la commercialiser. Et Jasti et Dalton sont tous deux reconnaissants pour le hasard qui les a réunis.
« Nous obtenons de nouvelles orientations intéressantes en réunissant des personnes qui ne discutent généralement pas de leur science », a déclaré Dalton.
Plus d’informations :
Patrick C. Hall et coll., [n]Cycloparaphénylènes comme fluorophores compatibles pour l’électroécriture par fusion, Petit (2024). DOI : 10.1002/smll.202400882