Les ondes sonores alimentent de nouvelles avancées dans l’administration de médicaments et les matériaux intelligents –

Alors que les ondes sonores font partie de la science et de la médecine depuis des décennies – les ultrasons ont été utilisés pour la première fois pour l’imagerie clinique en 1942 et pour déclencher des réactions chimiques dans les années 1980 – les technologies ont toujours reposé sur les basses fréquences.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université RMIT de Melbourne, en Australie, ont montré comment les ondes sonores à haute fréquence pourraient révolutionner le domaine de la chimie par ultrasons.

Une nouvelle revue publiée dans Science avancée révèle les effets bizarres de ces ondes sonores sur les matériaux et les cellules, comme des molécules qui semblent s’ordonner spontanément après avoir été frappées avec l’équivalent sonore d’une semi-remorque.

Les chercheurs détaillent également diverses applications passionnantes de leurs travaux pionniers, notamment:

• Administration de médicaments aux poumons – technologie de nébulisation brevetée qui pourrait délivrer des médicaments et des vaccins vitaux par inhalation, plutôt que par injections
• Nanoparticules de protection contre les médicaments – encapsuler les médicaments dans des nano-revêtements spéciaux pour les protéger de la détérioration, contrôler leur libération dans le temps et s’assurer qu’ils ciblent précisément les bons endroits du corps comme les tumeurs ou les infections
• Matériaux intelligents révolutionnaires – production durable de nanomatériaux super-poreux pouvant être utilisés pour stocker, séparer, libérer, protéger presque tout
• Nano-fabrication de matériaux 2D – exfoliation précise, rentable et rapide des points quantiques et des nanofeuillets atomiquement minces

Chercheur principal Le professeur distingué Leslie Yeo et son équipe ont passé plus d’une décennie à étudier l’interaction des ondes sonores à des fréquences supérieures à 10 MHz avec différents matériaux.

Mais Yeo dit qu’ils commencent seulement maintenant à comprendre la gamme de phénomènes étranges qu’ils observent souvent en laboratoire.

«Lorsque nous couplons des ondes sonores à haute fréquence dans des fluides, des matériaux et des cellules, les effets sont extraordinaires», dit-il.

«Nous avons exploité la puissance de ces ondes sonores pour développer des technologies biomédicales innovantes et synthétiser des matériaux avancés.

«Mais nos découvertes ont également changé notre compréhension fondamentale de la chimie échographique – et ont révélé à quel point nous en savons peu.

«Essayer d’expliquer la science de ce que nous voyons et ensuite l’appliquer pour résoudre des problèmes pratiques est un défi de taille et passionnant.

Ondes soniques: comment alimenter la chimie avec le son

L’équipe de recherche RMIT, qui comprend le Dr Amgad Rezk, le Dr Heba Ahmed et le Dr Shwathy Ramesan, génère des ondes sonores à haute fréquence sur une micropuce pour manipuler avec précision des fluides ou des matériaux.

L’échographie a longtemps été utilisée aux basses fréquences – autour de 10 kHz à 3 MHz – pour conduire des réactions chimiques, un domaine connu sous le nom de «sonochimie».

A ces basses fréquences, les réactions sonochimiques sont entraînées par la violente implosion de bulles d’air.

Ce processus, connu sous le nom de cavitation, entraîne des pressions énormes et des températures ultra-élevées – comme un autocuiseur minuscule et extrêmement localisé.

Mais il s’avère que si vous augmentez la fréquence, ces réactions changent complètement.

Lorsque des ondes sonores à haute fréquence ont été transmises dans divers matériaux et cellules, les chercheurs ont constaté un comportement qui n’avait jamais été observé avec des ultrasons à basse fréquence.

«Nous avons vu des molécules auto-ordonnées qui semblent s’orienter dans le cristal le long de la direction des ondes sonores», explique Yeo.

«Les longueurs d’onde sonores impliquées peuvent être plus de 100 000 fois plus grandes qu’une molécule individuelle, il est donc incroyablement surprenant de voir comment quelque chose d’aussi petit peut être manipulé avec précision avec quelque chose d’aussi gros.

“C’est comme conduire un camion à travers une dispersion aléatoire de briques Lego, puis trouver ces pièces bien empilées les unes sur les autres – cela ne devrait pas arriver!”

Progrès biomédicaux

Alors que la cavitation à basse fréquence peut souvent détruire des molécules et des cellules, elles restent pour la plupart intactes sous les ondes sonores à haute fréquence.

Cela les rend suffisamment doux pour être utilisés dans des dispositifs biomédicaux pour manipuler des biomolécules et des cellules sans affecter leur intégrité – la base des différentes technologies d’administration de médicaments brevetées par l’équipe de recherche RMIT.

L’un de ces dispositifs brevetés est un nébuliseur avancé bon marché, léger et portable qui peut délivrer avec précision de grandes molécules telles que l’ADN et des anticorps, contrairement aux nébuliseurs existants.

Cela ouvre le potentiel de vaccinations et de traitements indolores et sans aiguille.

Le nébuliseur utilise des ondes sonores à haute fréquence pour exciter la surface du fluide ou du médicament, générant un fin brouillard qui peut délivrer des molécules biologiques plus grosses directement aux poumons.

La technologie du nébuliseur peut également être utilisée pour encapsuler un médicament dans des nanoparticules de polymère protectrices, dans un processus en une seule étape associant nanofabrication et délivrance de médicaments.

En outre, les chercheurs ont montré que l’irradiation des cellules avec les ondes sonores à haute fréquence permet d’insérer des molécules thérapeutiques dans les cellules sans dommage, une technique qui peut être utilisée dans les thérapies cellulaires émergentes.

Matériaux intelligents

L’équipe a utilisé les ondes sonores pour conduire la cristallisation pour la production durable de cadres métalliques-organiques, ou MOF.

Prévus pour être le matériau déterminant du 21e siècle, les MOF sont idéaux pour détecter et piéger des substances à des concentrations infimes, pour purifier l’eau ou l’air, et peuvent également contenir de grandes quantités d’énergie, pour fabriquer de meilleures batteries et de meilleurs dispositifs de stockage d’énergie.

Alors que le processus conventionnel de fabrication d’un MOF peut prendre des heures ou des jours et nécessite l’utilisation de solvants agressifs ou de processus énergétiques intensifs, l’équipe RMIT a développé une technique propre et basée sur les ondes sonores qui peut produire un MOF personnalisé en quelques minutes et peut être facilement mise à l’échelle pour une production de masse efficace.

Les ondes sonores peuvent également être utilisées pour la nano-fabrication de matériaux 2D, qui sont utilisés dans une myriade d’applications, des circuits électriques flexibles aux cellules solaires.

Élargir et repousser les limites

Les prochaines étapes pour l’équipe RMIT sont axées sur la mise à l’échelle de la technologie.

Pour un faible coût de seulement 0,70 $ US par appareil, les micropuces générant des ondes sonores peuvent être produites en utilisant les procédés standard de fabrication en série de puces en silicium pour ordinateurs.

“Cela ouvre la possibilité de produire des quantités industrielles de matériaux avec ces ondes sonores grâce à une parallélisation massive – en utilisant des milliers de nos puces simultanément”, a déclaré Yeo.

L’équipe du Laboratoire de recherche en micro / nanophysique, de la Faculté d’ingénierie du RMIT, est l’un des rares groupes de recherche au monde réunissant ondes sonores haute fréquence, microfluidique et matériaux.

Yeo dit que la recherche remet en question les théories physiques de longue date, ouvrant un nouveau champ de “l’excitation haute fréquence” en parallèle de la sonochimie.

“Les théories classiques établies depuis le milieu des années 1800 n’expliquent pas toujours le comportement étrange et parfois contradictoire que nous observons – nous repoussons les limites de notre compréhension.”

La recherche est financée par des subventions du projet de découverte de l’Australian Research Council (ARC).