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Pilules intelligentes, MEMS et nanolaboratoires

Dossier - Nanotechnologies : l'essor des nanobiologie, info, et nanotechnologies
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D'importants développements scientifiques et technologiques se sont réalisés au cours des dernières années en biologie. On voit apparaitre une convergence entre biotechnologies, infotechnologies, nanotechnologies et microélectroniques. Ces innovations auront une importance de plus en plus grande sur les sciences du vivant et leurs applications industrielles.

  
DossiersNanotechnologies : l'essor des nanobiologie, info, et nanotechnologies
 

Avec les nanotechnologies s'ouvre un nouvel univers d'usinage de pièces miniaturisées pouvant servir dans des systèmes de diagnostics ou des appareils implantables : les MEMS, ou microelectromecanical systems.

Plusieurs exemples d'appareil fonctionnels ont été décrits au cours de ces dernières années: des "pilules intelligentes" capables d'administrer des médicaments selon des procédures précises à partir d'une implantation permanente dans le corps et de traiter ainsi des maladies graves ; des nanolaboratoires pouvant analyser en parallèle plus de 500.000 molécules nouvelles par jour; ou des micro-usines fondées sur le principe des MEMS, capables de synthétiser des structures complexes, de séparer des mélanges comportant des concentrations très faibles de molécules, ou de procéder à la catalyse de processus variés.

De tels nanolaboratoires fabriqués selon les techniques des microprocesseurs ("lab on a chip"), et renfermant de minuscules canaux dans lesquelles circulent des molécules, des pompes miniatures, des microréacteurs, des systèmes de séparation, sont aujourd'hui capables de réaliser des centaines de milliers de tests à l'heure en fonctionnant en parallèle.

Des MEMS à la pilule intelligente

Une application spectaculaire des MEMS est la "pilule intelligente" fabriquée par Robert Langer du MIT. Dans les laboratoires du Massachusetts Institute of Technology, le professeur Langer a développé un implant sous-cutané comportant des réservoirs miniatures remplis de médicaments et recouvert d'une membrane d'or jouant le rôle d'anodeSous l'effet d'un faible courant électrique provenant, par exemple, d'un biocapteur, les réservoirs s'ouvrent libérant in situ le produit actif. Grâce aux MEMS, depuis plusieurs années des chercheurs de nombreux laboratoires pharmaceutiques dans le monde travaillent à la mise au point de systèmes à base de capsules ou de vésicules contenant les médicaments et capables de diffuser lentement leurs précieux produits au cours du temps. Ces capsules programmées sont contrôlables à distance par de très faibles courants électriques. Elles sont en effet fabriquées à partir de polymères formant un gel qui se dissout dans l'eau dès qu'il reçoit un très faible courant électrique. L'astuce des chercheurs a été de fabriquer des minuscules capsules en couches successives comme une pelure d'oignon. Les doses contrôlées du médicament (par exemple de l'insuline pour les diabétiques) sont renfermées entre chaque couche de la capsule. Au passage du courant électrique une couche est éliminée ce qui libère le médicament dans le corps. Ce processus peut être répété autant de fois que nécessaire.

Des MEMS à la pillule intelligente : une application à la médecine des nanotechnologies

Avantage : des doses régulières et contrôlées et une grande rapidité de diffusion du produit. La capsule est implantée sous la peau et le courant électrique programmé par un microprocesseur. Les applications sont nombreuses: administration d'insuline, de produits anti-douleur ou d'hormones. Le professeur Robert Langer à utilisé ce principe pour concevoir une pilule bioélectronique implantable dans le corps et libérant les produits qu'elle contient pendant des durées atteignant plusieurs mois.

Cette pilule en silicium est creusée de milliers de petits trous remplis avec des médicaments puissants susceptibles d'être distribués au moment voulu à partir d'un signal reçu par des biocapteurs. Chaque trou est en effet recouvert d'un gel sensible à un courant électrique et capable de se dissoudre. Les médicaments sont ainsi libérés à l'endroit voulu et à la concentration désirée.

La société américaine Caliper Technology, a développé un nanolaboratoire tenant sur une puce (lab on a chip) avec des capillaires de quatre-vingts microns de diamètre et des volumes de quelque picolitres. Le professeur Mauro Ferrari de la Ohio State University a réussi à fabriquer un "implant intelligent" capable d'administrer de l'insuline à des diabétiques par l'intermédiaire de cellules vivantes enrobées à l'intérieur d'un micro réservoir comportant une membrane poreuse.

Les réactions immunologiques conduisant à la fabrication d'anticorps dirigés vers les cellules de pancréas ne peuvent intervenir. En effet, les molécules d'anticorps sont trop volumineuses pour passer à travers les pores de la membrane. Seuls peuvent entrer le glucose et sortir l'insuline. Ces microcapsules implantables ouvrent la voie à la nanomédecine, une médecine à l'échelle moléculaire.