UNE CAPSULE QUI ÉCLATE COMME UNE GOUSSE
De minuscules microrobots magnétiques pourraient un jour circuler dans le tube digestif pour délivrer un médicament, traiter une lésion ou prendre des images. Mais ils doivent d’abord y arriver intacts — à l’abri de l’acidité, du mucus et du brassage de l’estomac —, puis être libérés vite au bon endroit. Les capsules actuelles embarquent soit moteurs, ressorts et électronique, laissant peu de place à la cargaison, soit des matériaux « intelligents » qui mettent des minutes à des heures à s’ouvrir.
Mengfan Zhang, Zike Chen, Rui Xiao, Guoyong Mao et leurs collègues de l’université du Zhejiang, à Hangzhou, ont trouvé leur solution dans une plante à fleurs.
L’astuce d’une gousse qui éclate
Quand la gousse d’Impatiens balsamina est mûre, un léger contact suffit à la faire éclater : ses valves s’enroulent en un éclair et projettent les graines. Chez des espèces apparentées, les graines partent à environ 1 à 4 mètres par seconde. Le principe est celui d’un ressort verrouillé : les valves courbées stockent de l’énergie élastique, et le tissu qui les entoure sert de verrou. Le verrou cède, et l’énergie stockée fait tout le travail.
Trois pièces
La capsule reprend ce schéma en trois parties :
- un dôme souple en silicone, retourné à l’assemblage — c’est le ressort ;
- une base en plastique imprimée en 3D, un cylindre de 8 millimètres de diamètre et 5 millimètres de haut, avec une petite loge pour les robots ;
- un anneau de gel fait de gélatine, de carraghénane et de nanoparticules d’oxyde de fer — c’est le verrou.
Sous un champ magnétique alternatif, les nanoparticules chauffent le gel. Il ramollit et se déchire de l’intérieur, le dôme reprend brusquement sa forme, et la capsule s’ouvre. La gélatine pure fondrait entre 30 et 36 °C, trop près de la température du corps ; l’ajout de carraghénane garde le gel ferme à 37 °C, avec un passage à l’état liquide à 51,6 °C.
Régler le ressort
La difficulté était mécanique. Un dôme retourné peut être bistable — rester retourné une fois poussé — et il ne se rouvrirait jamais. Il doit être monostable, toujours revenir en place. Mais un dôme trop raide déchirerait le gel avant le déclenchement. Grâce à des simulations numériques, l’équipe a cartographié les formes bistables et monostables, et découvert que le rebord qui sert à coller le dôme le pousse vers la bistabilité : le dôme doit donc être plus épais qu’une coque de manuel. Leur dôme final : 2,6 millimètres de haut et 1,5 millimètre d’épaisseur, pour une demi-portée de 5 millimètres. Libéré à la pince, un tel dôme s’envole à 1,21 mètre par seconde et se détache entièrement en moins de 100 millisecondes.
D’une piste imprimée à un estomac de porc
Lors de l’essai complet, un aimant fait glisser la capsule fermée le long d’une piste imprimée en 3D jusqu’à sa cible, en environ 70 secondes. Le champ alternatif chauffe alors le gel d’environ 20 à 41 °C. La capsule s’ouvre moins de 50 millisecondes après le ramollissement du gel, et les robots sont projetés à environ 1,0 mètre par seconde — le bas de la fourchette des graines. Un aimant les rassemble ensuite vers des points choisis. Les « robots » sont ici de petits morceaux d’élastomère magnétique.
Sur un estomac de porc hors du corps, la capsule est restée fermée pendant qu’on la guidait sur le tissu, et s’est ouverte sur commande. Le tissu mou et collant a absorbé une partie de l’énergie : la vitesse d’éjection est d’abord tombée à environ 0,5 mètre par seconde. Les robots libérés restaient pilotables sur la surface. Posée dans l’autre sens, la capsule s’ouvre en douceur sans rien projeter, et l’aimant extrait les robots — un mode plus doux.
Les auteurs listent ce qui reste à faire : aucun essai chez l’animal vivant, comportement du gel inconnu dans l’acide gastrique et les liquides digestifs, et un gel plus solide qui fondrait aussi à plus haute température. Quatre d’entre eux — Mao, Zhang, Chen et Xiao — ont déposé une demande de brevet sur la capsule.