Lauréats de la bourse Stanford Advanced Materials College Scholarship pour 2021

Labourse universitaire 2021 de SAM est axée sur l'impact des nouvelles technologies et des nouveaux matériaux sur notre société. Les matériaux avancés sont porteurs d'un avenir radieux, mais il subsiste divers problèmes technologiques. SAM a donc invité les étudiants à parler du problème technologique qui posera le plus grand défi au cours de la prochaine décennie. SAM leur a également demandé de partager des projets antérieurs qui ont permis de résoudre un problème à l'aide de matériaux avancés.

Au cours des derniers mois, nous avons reçu environ 150 essais et 20 vidéos. Tous ces étudiants ont fait du bon travail et nous espérons qu'ils réaliseront tous de grandes choses à l'avenir !

Parmi ces travaux, nous avons finalement sélectionné deux gagnants.

Madeline Brown
de l'Université de Californie à San Diego

Lettre de remerciement de Madeline Brown

Alex Guerra
de l'université d'État de San Jose

Lettre de remerciement d'Alex Guerra

Voici les textes qu'ils ont soumis.

Essai - Madeline Brown

La fin du scalpel : un regard sur l'avenir de la chirurgie

Alors que la médecine a progressé, une pratique est restée archaïque. Quelles que soient les avancées technologiques dans le domaine de la chirurgie, la pratique consistant à ouvrir activement le corps humain par incision rappelle les pratiques barbares de la médecine ancienne. Non seulement elle expose le corps à des maladies dues à des microbes résistants aux antibiotiques, mais une incision, quelle qu'elle soit, entraîne la formation de tissus cicatriciels : un rappel post-chirurgical extrêmement douloureux pour tout patient. S'attaquer à ce problème ne sera pas chose aisée, mais l'utilisation de matériaux avancés en fait une possibilité.

Ma passion pour l'amélioration des méthodes chirurgicales a commencé tout près de chez moi, avec ma mère. Au milieu de ma première année d'université, ma mère a découvert qu'elle avait besoin d'un remplacement de valve cardiaque. L'opération a été réalisée au moyen d'une procédure mini-invasive : une incision a été pratiquée dans son aisselle droite et a traversé une artère jusqu'à la valve concernée. Après l'opération, mon frère et moi sommes restés avec elle dans la salle de réveil ; c'est dans cette salle que j'ai réalisé que la chirurgie moderne était défectueuse. C'est dans cette salle que j'ai compris que la chirurgie moderne était défectueuse. Elle a souffert tout le temps, mais ce n'était pas son cœur qui faisait mal : c'était l'incision. Au fur et à mesure que le temps passait après l'intervention, la gestion des complications liées à l'incision devenait ardue. Afin de prévenir les infections, les nettoyages quotidiens et le remplacement des bandages sont devenus la norme. Bien que les instructions postopératoires aient été suivies à la lettre, ma mère souffrait toujours de douleurs dans la zone de l'incision, probablement en raison de l'accumulation de tissucicatriciel. C'est cette notion de douleur inutile qui m'a incité à créer une méthode chirurgicale capable de prévenir le tissu cicatriciel avant qu'il ne se forme : une méthode chirurgicale sans incision.

La solution pour faire avancer la chirurgie serait une application stratégique de dispositifs d'administration de médicaments. Il s'agit d'une combinaison de particules de silicium poreuses et d'un polymère. Les avantages de ce système hybride apparaissent clairement lorsqu'on analyse ses composants. Les particules de silicium peuvent être ajustées pour contenir des charges médicamenteuses spécifiques, tandis que le polymère serait utilisé pour empêcher les particules de migrer vers des zones non souhaitées. L'intérêt d'une telle méthode réside dans le fait qu'elle peut être adaptée aux besoins spécifiques d'un patient et qu'elle est pratiquement non invasive. Par exemple, dans le cas d'un patient victime d'un accident vasculaire cérébral ischémique, des particules de silicium chargées de t-PA peuvent être guidées dans la circulation sanguine jusqu'à l'endroit où se trouve le caillot et le disperser. Cette méthode s'avère particulièrement avantageuse car elle dirige le t-PA potentiellement toxique vers un point isolé et permet d'obtenir une efficacité maximale dans l'élimination du caillot.

Avec un financement adéquat, je commencerais à tester les capacités d'un système d'administration de médicaments hybride polymère-silicium poreux. L'échafaudage des particules chargées de médicament serait le polycaprolactone (PCL), car il a été démontré que ce polymère approuvé par la FDA encapsule efficacement les nanoparticules de silicium [1]. Deuxièmement, des particules de silicium poreuses seraient produites par gravure électrochimique [2], ces particules ayant la capacité unique d'être finement réglées pour charger différents médicaments. Le "réglage" peut être réalisé en modifiant la porosité et la taille des particules, en optimisant ces deux caractéristiques pour qu'elles puissent accueillir la charge utile choisie. Selon la fonction prévue du système de libération de polymères à particules hybrides, le médicament chargé varierait. Par exemple, si je me concentrais sur la revascularisation des tissus, je chargerais diverses formes de VEGF (chacune ayant un impact différent sur la vascularisation) dans les particules de silicium. Une fois que les particules de silicium poreux sont chargées du médicament souhaité, elles peuvent être incorporées dans le PCL par nébulisation : en combinant les deux solutions et en les pulvérisant à l'aide d'un aérographe[3]. [ Lorsqu'il est pulvérisé à partir de l'aérographe, le PCL forme des fibres orientées qui, lorsqu'elles sont concentrées, forment un patch. Ce patch peut être découpé et déployé dans le corps par l'intermédiaire d'un trocart, réduisant ainsi l'impact d'une incision à l'impact d'un grand vaccin.

Pour réaliser des procédures plus complexes, il faut utiliser un ensemble de combinaisons de particules et de polymères : des particules pour réaliser et refermer des incisions, favoriser la cicatrisation, etc. Chacune de ces combinaisons nécessiterait un processus de recherche distinct, mais une fois réunies, ces combinaisons révolutionneraient la médecine. Après tout, un système chirurgical administré par injection donnerait lieu à un processus non seulement moins sensible aux infections résistantes aux antibiotiques, mais aussi moins sensible à l'accumulation de tissus cicatriciels douloureux.

L'évolution de la médecine dépend de la reconnaissance de ses pièges, aussi petits soient-ils pour un observateur. Dans lecas de la chirurgie moderne, nous avons pris l'habitude de nuire auxpatients afinde guérir leurs maux. Bien que cela semble être un noble compromis, nous ne devons pas oublier le serment que tous les médecins ont prêté : "primum non nocere", ne pas nuire. Ainsi, pour servir au mieux les patients, nous devons trouver un moyen d'abandonner le scalpel au profit des techniques nano et micro-invasives. En adoptant ces techniques, nous pourrons repousser les limites de la médecine afin d'embrasser véritablement la maxime "ne pas nuire".

Citations

[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., Porous Silicon Nanoparticles Embedded in Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofiber Scaffolds Deliver Neurotrophic Payloads to Enhance Neuronal Growth .Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560

[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. et Sailor, M.J. (2014), Size Control of Porous Silicon Nanoparticles by Electrochemical Perforation Etching. Part. Part. Syst. Charact. 31 : 252-256. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244

[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785

Vidéo - Alex Guerra