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Un nouveau matériau mis au point dans le cadre d'une étude conjointe entre le Technion et l'université de Chicago ouvre la voie à la restauration des tissus nerveux endommagés et à la stimulation cardiaque par le biais d'une source lumineuse externe sur le corps. Le concept général : la lumière projetée dans le corps (proche infrarouge) va frapper une membrane constituée du nouveau matériau, qui va photo-activer le tissu nerveux ou le cœur endommagé. L'étude, publiée dans Nature Materials, a été menée par le professeur adjoint Hemi Rotenberg de la faculté d'ingénierie biomédicale du Technion et le professeur Bozhi Tian de l'université de Chicago.

Les tissus nerveux sont la plate-forme biologique qui transmet les informations entre les différentes zones du corps. La plupart d'entre eux se trouvent dans les deux centres de contrôle du système nerveux central : le cerveau et la moelle épinière. Le système nerveux périphérique découle du système nerveux central et contrôle de nombreuses activités physiques, notamment l'activation des muscles ainsi que la transmission des informations sensorielles.

Les lésions du système nerveux périphérique peuvent entraîner des limitations, telles que la paralysie, l'engourdissement et la douleur chronique. Bien que les nerfs périphériques puissent subir une régénération, celle-ci est lente et les résultats limités. Toutefois, certaines interventions médicales peuvent améliorer la réadaptation.

L'une des solutions pour le traitement des nerfs endommagés est la stimulation électrique, dont l'efficacité a été démontrée dans de nombreuses études. Le problème est que cette méthode implique généralement la réalisation d'une procédure invasive qui peut endommager les tissus du corps. Le développement mis au point par le professeur Rotenberg, expliqué dans Nature Materials, pourrait éliminer la nécessité de transplanter des électrodes.

Les chercheurs du Technion et de l'Université de Chicago ont créé un nouveau dispositif semi-conducteur dans une configuration de membrane flexible et ultra-mince qui s'interface bien avec les tissus biologiques. L'idée illustrée dans l'article est d'utiliser cette membrane pour envelopper le tissu nerveux endommagé, ou dans le cas de la stimulation cardiaque - envelopper le cœur lui-même. Cette étape sera réalisée dans le cadre de la chirurgie qui s'impose de toute façon en cas de telles vulnérabilités.

"Notre développement est un matériau photovoltaïque, c'est-à-dire un matériau qui convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique qui affecte le tissu nerveux", a expliqué le professeur Rotenberg. "Dans l'article, nous démontrons l'efficacité de la nouvelle substance dans deux contextes différents - la stimulation cardiaque et l'activation du système nerveux périphérique. Dans le contexte des traitements cardiaques, par exemple, l'utilisation d'un tel dispositif peut permettre une stimulation cardiaque temporaire pour la réhabilitation post-opératoire et éviter l'utilisation d'une électrode temporaire à insérer dans le cœur. La membrane que nous avons mise au point étant constituée d'un matériau à base de silicium, qui s'absorbe dans l'organisme sans le moindre effet toxique, il n'est pas nécessaire de recourir à une intervention chirurgicale supplémentaire pour la retirer du corps."

La particularité du matériau développé par les chercheurs est la formation d'une jonction diode semi-conductrice à partir d'un seul type de silicium. C'est très inhabituel, car habituellement les diodes sont fabriquées par l'interface de deux types de silicium. Les semi-conducteurs sont basés sur des lacunes énergétiques qui déterminent leur niveau de conductivité ; ils sont généralement composés de matériaux de type n, qui apportent un électron au matériau, et de matériaux de type p qui prennent un électron du matériau (laissant un trou à la place) ; la connexion entre les deux matériaux crée une interface efficace appelée jonction p-n, qui est la composante de base des dispositifs électroniques et des cellules solaires.

La connexion entre les deux matériaux différents est un défi technologique très complexe, d'où l'importance de la découverte présentée dans le nouvel article : une diode faite uniquement de silicium de type p, et la jonction est construite de silicium ordinaire, et de silicium poreux.

Selon le professeur Rotenberg, le nouveau matériau a été créé de manière non planifiée. "J'ai accidentellement utilisé une pince métallique dans le laboratoire, qui a apporté des ions de fer à la solution - ce que je n'avais pas prévu. Les ions de fer se sont avérés catalyser la création de nanopores à la surface du silicium."

Il ajoute que le nouveau matériau est une fenêtre thérapeutique qui permet à l'équipe médicale d'avoir un impact externe sur les tissus du corps du patient. En dehors du domaine médical, ce nouveau développement devrait contribuer grandement à diverses applications, par exemple dans le domaine des énergies renouvelables. Comme les sources d'énergie renouvelables telles que le soleil sont volatiles et ne fonctionnent pas à une intensité constante tout au long de la journée, le stockage de l'énergie devient un défi majeur pour promouvoir l'utilisation de ces énergies. L'une des tendances à cet égard est la production d'hydrogène par la décomposition de l'eau sous l'effet du rayonnement solaire, car l'hydrogène produit est une source d'énergie stockable. Le professeur Rotenberg estime et espère que le nouveau matériau qu'il a développé avec ses collègues accélérera le développement de dispositifs solaires plus avancés et plus efficaces.

Pour lire l'article complet dans Nature Materials, cliquez ici.

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Un cœur isolé qui se contracte spontanément. Sur la paroi du cœur, on peut voir la membrane de silicium (à droite). En projetant de la lumière sur la membrane, on peut modifier le rythme cardiaque en cas d'arythmie (pour la vidéo, nous avons utilisé une lumière verte, car la lumière infrarouge n'apparaît pas bien à l'œil humain). De même, les mouvements des membres peuvent être affectés par des impulsions lumineuses.

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