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Biomimétisme: la nature copiée-collée

De nombreux chercheurs se tournent vers la nature pour innover dans le domaine médical. Tour d’horizon de projets «bio-inspirés».

La peau de requin présente des nanostructures dentelées empêchant le dépôt de mollusques, d’algues et même de bactéries. L’entreprise américaine Sharklet s’en est inspirée pour développer des revêtements de surface diminuant la prolifération bactérienne dans les hôpitaux. Le tout, sans recourir à des antibiotiques ni à des produits désinfectants. Déjà commercialisé, ce film protecteur s’est imposé comme l’un des meilleurs exemples concrets de «biomimétisme» dans le monde médical: une discipline qui consiste à imiter des solutions trouvées dans la nature pour les adapter aux problèmes humains.

En Suisse romande aussi, certaines innovations médicales s’inspirent de la nature. À l’EPFL, par exemple, une plateforme interdisciplinaire s’intéresse à ce phénomène depuis deux ans: elle regroupe 33 laboratoires et compte une soixantaine de projets dits «bio-inspirés», dans des domaines aussi variés que la robotique, la mécanique ou la bio-ingénierie.

«Notre programme rassemble des chercheurs d’horizons divers, mais tous partagent ce sentiment d’émerveillement face au monde naturel, souligne Darja Dubravcic, coordinatrice de la plateforme. Dans une vision à long terme surtout, il ne peut y avoir de meilleur modèle que le vivant. Car les procédés qui fonctionnent dans la nature sont le fruit d’un long processus d’évolution.»

Une bonne alternative

«Mimer la nature s’avère particulièrement utile lorsque l’on n’arrive à aucune solution autrement», précise Dominique Pioletti, directeur du laboratoire de biomécanique en orthopédie (LBO) de l’EPFL. En collaboration avec Pierre-Étienne Bourban, du laboratoire de mise en œuvre de composites à haute performance (LPAC), il développe des implants bio-compatibles copiant la structure du cartilage. «Contrairement à l’os, le cartilage n’est pas du tout vascularisé, ce qui rend sa guérison d’autant plus difficile», détaille Dominique Pioletti.

Il n’existe pour l’instant que deux traitements contre l’usure du cartilage articulaire, situé aux extrémités des os longs: la réinjection de cellules cultivées in vitro à partir de tissu cartilagineux sain, d’une part, et la réalisation de micro-fractures dans la partie osseuse sous-jacente, pour mettre en contact des cellules souches et sanguines avec le cartilage dégénéré, d’autre part.

«On a choisi l’approche biomimétique, car les deux moyens thérapeutiques existants ne procurent pas de résultats satisfaisants.» Avec son équipe, le chercheur s’est ainsi donné pour mission de synthétiser des matrices poreuses qui reproduiraient les propriétés mécaniques respectives des trois zones du cartilage: un tissu mou en surface pour favoriser le glissement entre les os, une zone médiane plus dure permettant au tissu cartilagineux de supporter de lourdes charges et enfin, un réseau de fibres encore plus rigide dans la région profonde, afin d’ancrer le cartilage à l’os.

«Plus on augmente la densité fibreuse, plus on accroît la résistance du tissu, remarque Dominique Pioletti. Dans un premier temps, on utilise un principe similaire à l’impression 3D pour superposer des fibres, tout en veillant à changer leur densité – l’idée et le défi étant de reproduire la variation mécanique du cartilage naturel. Dans un second temps, on ajoute des cellules spécialisées, appelées chondrocytes, pour que la matrice ressemble vraiment à la structure du cartilage naturel et qu’elle puisse ainsi se résorber une fois la guérison stimulée.»

Si les deux associés ont déjà obtenu des résultats prometteurs sur des modèles expérimentaux, leur cartilage biomimétique doit encore passer de nombreux tests avant de pouvoir être implanté un jour sur des patients.

Quand la robotique s’allie à la biologie

Le biomimétisme ne se limite toutefois pas à la reproduction de structures biologiques. La chercheuse Jamie Paik, directrice du laboratoire de robotique reconfigurable (RRL) de l’EPFL, applique cette même philosophie pour imiter, plus que reproduire à proprement parler, des phénomènes naturels. «Je consacre une partie de mes recherches au développement de robots mous en caoutchouc, qui imitent la fonction des muscles humains, sans pour autant en avoir l’apparence, explique-t-elle. Le robot doit pouvoir suivre les mouvements naturels du corps, ne pas être désagréable à porter et, à la fois, être suffisamment rigide pour générer un minimum de force. Il faut donc maîtriser la biomécanique des muscles pour trouver cet équilibre entre mollesse et rigidité.»

À l’instar des muscles, qui fonctionnent comme des ballons remplis de sang, ces robots mous, en forme de tubes allongés contenant de l’air, se dilatent et changent de direction en fonction de la pression exercée. Une fois perfectionnée, cette technologie pourrait notamment être utilisée dans la région des muscles obliques et du bas du dos pour aider les personnes souffrant de raideurs.

«Les ingénieurs peuvent aussi s’inspirer de la nature dans l’optique de la décrypter puis de l’améliorer», remarque Selman Sakar, directeur du laboratoire des systèmes micro-bio-robotiques (MICROBS) de l’EPFL. Selman Sakar travaille justement à l’élaboration de robots microscopiques mimant les mouvements et les propriétés des micro-organismes et des cellules eucaryotes, dans le but de les faire interagir avec l’environnement cellulaire et de comprendre comment les cellules communiquent par signaux mécaniques. «Quels stimuli engendrent la formation de tissus? Qu’est-ce qui dysfonctionne en cas de maladie? Et comment peut-on stimuler la régénération cellulaire? Voilà le genre de questions auxquelles nos machines biomimétiques pourraient apporter des réponses», explique le roboticien.

Le biomimétisme invite donc parfois à reproduire la nature le plus exactement possible, à imiter l’un de ses mécanismes, ou simplement à mieux la comprendre dans le but d’optimiser certains de ses procédés, portant un message idéologique fort: «Le biomimétisme nous aide en effet à trouver des solutions à nos problèmes en travaillant avec la nature et non plus en nous distinguant d’elle», résume la biologiste Darja Dubravcic.

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UNE PHILOSOPHIE INTEMPORELLE 

Le terme «biomimétisme», du grec «bios» vie et «mimèsis» imitation, est apparu pour la première fois en 1969, dans un article du biophysicien américain Otto H. Schmitt. Dans le secteur de la santé, il s’agit pourtant d’une pratique qui s’est développée sur trois niveaux, depuis l’Antiquité:

Biomimétisme formel

Les Égyptiens déjà cherchaient à imiter les formes de la nature pour innover dans le monde médical. Les premières prothèses identifiées comme fonctionnelles dateraient d’il y a presque 3’000 ans. Fabriquées en bois, elles servaient de substitut au gros orteil.

Biomimétisme fonctionnel

Grâce à l’avènement des micro- et nanotechnologies, les scientifiques peuvent désormais se focaliser sur la fonction. En 2015, une équipe suédoise a conçu le premier prototype d’un neurone biomimétique, consistant en une pompe à ions et un biocapteur artificiels, reliés par un fil électrique qui pourrait aider les patients atteints de maladies neurodégénératives.

Biomimétisme systémique

L’étude des systèmes reste un volet important du biomimétisme. Depuis les années 1960, ingénieurs et biologistes essaient de développer des exosquelettes imitant le système nerveux humain, pour aider les paraplégiques à marcher à nouveau.

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NAGER COMME UN POISSON, VOLER COMME UN OISEAU

Plantes, insectes ou oiseaux inspirent de longue date les chercheurs. Revue de quelques projets emblématiques.

Ailes d’oiseau
En 1903, les Américains Orville et Wilbur Wright effectuent le premier vol à bord d’un avion motorisé. Le système de contrôle de leur engin s’inspire de la manière dont les oiseaux utilisent les courants d’air pour gagner de l’altitude.

Grande bardane
Rentré d’une partie de chasse, l’ingénieur suisse George de Mestral remarque que les épines des fruits de bardane qui se sont accrochés à ses vêtements sont munies de petits crochets élastiques. En 1955, il en conçoit le système de fermeture auto-agrippant «Velcro».

Peau de requin
La peau de requin est composée de denticules dont la forme empêche la fixation de bactéries ou de parasites. En 1986, l’entreprise 3M et la NASA en tirent un revêtement qui permet d’améliorer l’aérodynamisme des aéronefs.

Termitières africaines
Inauguré en 1996, le complexe administratif et commercial Eastgate Centre à Harare (Zimbabwe) présente la particularité de ne pas posséder de système d’air conditionné traditionnel. Son architecte a imaginé un système de régulation de la chaleur basé sur les termitières.

Chauve-souris
Ces animaux nocturnes utilisent l’écholocation pour s’orienter dans l’obscurité. Des chercheurs de l’Université de Wake Forest, en Caroline du Nord, développent depuis 2014 un système de navigation similaire, pour permettre à terme aux personnes aveugles de se déplacer plus facilement.

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Une version de cet article est parue dans In Vivo Magazine (n°13).

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