Les GEMS ultra-petits et changeants de forme offrent un moyen plus simple et moins coûteux d'améliorer l'imagerie IRM

Les sondes magnétiques microscopiques qui changent de forme en réponse à leur environnement peuvent grandement améliorer l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cependant, la production de ces sondes, encore expérimentales et non encore utilisées chez l'homme, a nécessité l'accès à une salle blanche et une expertise en nanofabrication, limitant leur utilisation généralisée.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut national des normes et technologies (NIST) ont poussé ces sondes à changement de forme, connues sous le nom de capteurs magnétiques à codage géométrique, ou GEMS, un peu plus loin en dévoilant une nouvelle méthode de fabrication qui est non seulement plus rapide et moins chère, mais élimine la nécessité d'instruments spécialisés.

Les scientifiques ont rendu compte de leurs travaux en ligne le 19 décembre dans Capteurs ACS.

Au lieu de construire les minuscules sondes couche par couche dans une installation de nanofabrication, l’équipe les a construites à l’aide d’un moule principal de précision. Cette technique permet aux chercheurs de fabriquer des GEMS dans leurs propres laboratoires en utilisant des matériaux peu coûteux et des équipements facilement disponibles.

Les scientifiques du NIST Gary Zabow et Samuel Oberdick et leurs collègues ont concentré leurs efforts sur la construction de GEMS en forme de minuscules cylindres creux, car cette forme peut être facilement fabriquée avec un moule. Pour leur moule principal, les scientifiques ont construit un ensemble de cylindres creux en silicium dur, chacun mesurant seulement environ 100 micromètres de diamètre, soit environ dix fois plus gros qu'un globule rouge.

L’équipe a ensuite démontré comment les chercheurs disposant d’un tel moule principal pouvaient mener à bien le processus de fabrication en plusieurs étapes. Tout d'abord, les scientifiques ont fabriqué un “négatif” du moule souple en versant un polymère liquide sur le moule en silicone dur, lui permettant de se solidifier, puis en le décollant. Cela a créé un moule pliable avec un ensemble de cavités creuses cylindriques.

À l’étape suivante, les scientifiques ont rempli chaque cavité avec un précurseur liquide d’un hydrogel, un réseau de polymères réticulés capables d’absorber de grandes quantités d’eau. L'hydrogel, qui a été conçu pour rétrécir ou gonfler en réponse aux changements d'acidité ou à d'autres propriétés de son microenvironnement, est un élément clé du GEMS. Les hydrogels techniques sont peu coûteux et faciles à fabriquer.

Après avoir durci les hydrogels en les exposant à la lumière ultraviolette, l’équipe du NIST les a sortis de leur moule souple, un peu comme si on sortait des glaçons d’un plateau en silicone. Les hydrogels cylindriques ont ensuite été immergés dans un bain de sels de fer et transférés dans une solution basique, qui a converti les sels de fer absorbés par les hydrogels en particules d'oxyde magnétique.

La force du champ magnétique de chaque hydrogel a une incidence directe sur l'IRM, qui manipule les minuscules champs magnétiques des protons pour imager les structures internes du corps humain. Les protons se comportent comme des toupies magnétisées en rotation, chacune pointant initialement dans une direction aléatoire.

Un appareil IRM aligne le champ magnétique des protons avec son propre champ magnétique puissant, puis perturbe cet alignement en chatouillant les protons avec une impulsion d'ondes radio à une fréquence de résonance qui amène les protons à se « détendre » alternativement dans leur état d'origine, puis redevenir aligné. Lorsque les protons font la navette entre les deux états, ils émettent des ondes radio, qui sont traduites en images IRM.

Pendant ce temps, les hydrogels changent de forme en réponse aux changements des conditions locales, ce qui entraîne un renforcement ou un affaiblissement de leur champ magnétique.

Le champ magnétique changeant du GEMS déplace la fréquence de résonance des protons qui se trouvent dans ou à proximité des sondes. En mesurant ce changement, l'IRM peut détecter comment les GEMS ont modifié leur forme en réponse à une propriété spécifique de leur environnement local.

Les GEMS construits avec le processus de moulage souple peuvent être adaptés pour modifier leur forme en fonction d'une multitude de propriétés environnementales, permettant aux chercheurs d'utiliser les sondes pour explorer une gamme de conditions biomédicales, a déclaré Oberdick.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.