Imaginez une petite machine capable de matérialiser instantanément des objets avec une précision extrême, à distance, et le tout avec n’importe quel type de matériaux. Cela ressemble à de la science-fiction… mais il s’agit pourtant du sujet d’une publication scientifique tout à fait sérieuse repérée par Engadget.
Cette étude publiée dans la revue de référence Science provient directement de la Max Planck Society, un ensemble extrêmement prestigieux d’instituts (les Max Planck Institutes, ou MPI) qui mènent des travaux de recherche fondamentale à la pointe de leurs disciplines respectives. Les chercheurs y décrivent un concept d’impression 3D sans aucun équivalent qui pourrait bien représenter une petite révolution.
En impression 3D traditionnelle, une tête se charge de déposer du matériel fondu couche par couche pour arriver au résultat final. Les chercheurs du MPI, en revanche, ont imaginé un processus fonctionnellement similaire, mais sans le moindre contact physique. Pour y parvenir, ils ont utilisé un support inattendu : le son.
Les ondes sonores, un vecteur d’énergie exploitable
Très vulgairement, le son, c’est de l’énergie qui se déplace d’un atome à l’autre sous la forme d’une onde sonore. À notre échelle, ces dernières peuvent exercer une force significative. C’est quelque chose que l’on peut facilement vérifier en se tenant près de baffles lors d’un concert.
Mais cette énergie ne sert pas qu’à faire vibrer les entrailles des festivaliers. Les chercheurs utilisent déjà les ondes sonores dans des travaux divers et variés. Ils s’en servent par exemple pour manipuler les particules qui composent la matière à la plus petite des échelles dans certaines expériences de physique fondamentale.
Les chercheurs du MPI souhaitaient appliquer ce concept à l’échelle macroscopique. Leur idée consiste à réarranger non plus de simples particules, mais les atomes eux-mêmes pour produire n’importe quelle forme.
Les principes physiques qui permettraient de réaliser cette opération sont déjà maîtrisés. Mais les chercheurs sont restés bloqués sur un point en particulier : ils ont eu du mal à trouver comment contrôler soigneusement la forme de l’objet produit. Pour contourner cet obstacle, ils ont eu l’idée d’utiliser une technique développée par leurs collègues du MPI en 2016; elle joue sur les interactions entre les ondes sonores.
Un champ holographique ultrasonique en guise de moule
Lorsque deux ondes se rencontrent, elles ne se contentent pas de rebondir l’une sur l’autre. Cela génère ce qu’on appelle des interférences, et cela aboutit généralement à une nouvelle onde aux propriétés différentes. En produisant plusieurs ondes sonores à partir d’émetteurs soigneusement positionnés, les chercheurs peuvent donc générer des interférences bien précises pour définir une forme en trois dimensions.
C’est un processus long et extrêmement exigeant en matière de puissance de calcul. Mais au bout du processus, on obtient ce que les auteurs appellent un champ holographique acoustique. Généralement, on pense plutôt à la lumière lorsqu’on parle d’hologramme. Mais il s’agit en fait d’un terme générique qui désigne l’enregistrement de certaines propriétés de n’importe quelle onde; on peut donc l’appliquer au son. Ici, les chercheurs parlent de champ holographique ultrasonique, puisqu’ils ont utilisé des ultrasons.
Ce champ peut se comporter un peu comme un moule non-physique en trois dimensions. À partir de là, le processus est d’une simplicité confondante. Il suffit de placer du matériel en suspension dans un substrat liquide au milieu de la machine, d’activer les émetteurs à ultrasons, et pouf ! On obtient une forme en trois dimensions extrêmement précise produite très rapidement, en une seule étape.
C’est une approche extrêmement innovante, et on peut déjà imaginer des tas d’usages possibles dans l’industrie. Il faudra encore que la technologie progresse pour y parvenir, car pour l’instant, l’équipe n’a réussi à produire que des objets de quelques centimètres de long. Mais avant d’en arriver là, cette technologie pourrait d’abord se trouver une place dans le secteur médical. Les chercheurs estiment qu’elle pourrait révolutionner l’impression 3D de tissus vivants.
Une révolution pour la bio-impression
Ce concept est déjà exploré par des tas de chercheurs en médecine régénérative. La technique progresse de jour en jour, et on commence à voir émerger des preuves de concept fascinantes qui ouvrent la voie à l’impression de véritables organes susceptibles d’être greffés. Mais il reste des problèmes techniques importants qui freinent encore le développement de cette technologie.
Le premier, c’est que puisqu’on travaille avec des cellules vivantes, les tissus ainsi produits ne sont jamais parfaits ; ils souffrent de défauts structurels qui pourraient poser problème pendant et après la transplantation. L’autre souci, c’est qu’il s’agit d’un matériel excessivement fragile. La plupart des techniques d’impression de tissus organiques peuvent facilement endommager les cellules.
Mais cette technique basée sur le son pourrait permettre de contourner ces deux problèmes à la fois. Elle est non seulement très précise, mais aussi très délicate ; puisqu’elle ne fait pas intervenir le moindre contact physique, on ne risque pas d’endommager ou de contaminer le produit fini. Une fois cette approche mature, on peut donc imaginer s’en servir pour imprimer rapidement des greffons parfaitement sains et stériles.
L’autre point intéressant, c’est que la technique présentée est complémentaire de nombreux autres travaux en bio-ingénierie. Cette technique de fabrication deviendra de plus en plus intéressante avec l’avancée des travaux sur les cellules souches, les facteurs de croissance, l’ingénierie génétique, et ainsi de suite. À moyen terme, elle pourrait donc jouer un rôle important dans la médecine régénérative, aussi bien en recherche fondamentale qu’en contexte clinique.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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