Flexible Microbiotic Technology for gastro-intestinal Diseases (FLEXTER)

logo-cami-petLe projet FLEXTER vise le développement d’une technologie de conception et de fabrication de systèmes microrobotiques pour la réalisation de tâches médicales non invasives. Ce projet est destiné principalement à des thérapies liées aux maladies en lien avec le contrôle de l’environnement gastrique (obésité, diabète, intolérances à certaines substances, etc.). L’objectif est d’aboutir à des concepts de microrobots transitant par le tube digestif ou y séjournant pour des thérapies de longue durée.

Contrairement aux réalisations décrites dans la littérature, le projet FLEXTER exploitera des principes de conception et d’actionnement issus des micro/nanotechnologies ainsi que les possibilités offertes par les procédés d’impression 3D qui autorisent une grande liberté de conception et de fabrication. Les principes utilisés dans le micromonde, fondés sur l’emploi de structures déformables en remplacement de mécanismes, ont permis d’obtenir de bons résultats tout en autorisant une fabrication simple grâce aux technologies de microfabrication en salle blanche sur substrats de silicium ou en résine SU8 [10]-[14]. Ces principes seront adaptés aux cas des robots médicaux par :

  • l’emploi de matériaux biocompatibles (respectant la norme ISO 10993–6) ;
  • le passage de dimensions microscopiques à des dimensions mésoscopiques, mieux adaptées à la taille des organes concernés ;
  • le choix d’une technologie capable de produire des déplacements et des forces adaptés à un fonctionnement dans le tube digestif (impression 3D) ;
  • le passage à des structures 3D (les microtechnologies sont généralement fondées sur l’emploi de structures 2D planaires) ;
  • la réalisation de microrobots médicaux à faible coût de production.

Ce projet, illustré sur la figure 5, sera fondé sur une approche bottom-up par opposition aux projets existants qui sont souvent menés selon une démarche de miniaturisation top-down.

 

Le projet FLEXTER vise le développement de fonctions de base (navigation, immobilisation, implantation, délivrance de substances et prélèvement) permettant la réalisation de microrobots de deux types : des capsules transitant par le tube digestif et des dispositifs implantables à longue durée. Ces microrobots seront destinés à remplir des missions de diagnostic (caractérisation de l’environnement gastrique, prélèvement, biopsies, mesures in situ) et d’intervention (délivrance de substances, contrôle de l’environnement gastrique).

Les principes qui seront mis en œuvre seront affinés durant la réalisation du projet. Cependant, il est, d’ores et déjà, possible d’émettre des lignes directrices de conception :

  • l’exploitation de structures monolithiques flexibles permettrait d’une part de proposer des architectures compatibles avec l’échelle mésoscopique en termes de fabrication, mais également de performances (absences de jeu, de lubrification, de friction, etc). D’autre part, elle permettrait d’envisager un procédé de délivrance de médicament s’inspirant du principe mis en œuvre dans [8] et [9] où un actionnement magnétique permet à une capsule déformable de remplir une fonction de libération de substance. L’utilisation de mécanismes à guidages flexibles permettrait également de réaliser des fonctions d’aspiration ou de pompage, à l’aide de mécanismes bistables par exemple,  pour rendre plus robustes des fonctions de fixations et de prélèvement en milieu gastrique.
  • plusieurs principes innovants destinés au traitement de l’obésité et du diabète exploitent une interaction passive ou active avec l’environnement gastrique. C’est le cas notamment du dispositif passif EndoBarrier (http://www.endobarrier.com) présenté sur la figure 6 et des travaux réalisés dans le cadre du projet « Taenia artificiel » qui visent le contrôle actif du microbiote. Ces deux principes sont fondés sur des interactions surfaciques. Le contrôle des surfaces d’interaction constitue donc un moyen efficace de régulation de l’effet désiré.
  • La problématique de la consommation énergétique pourra être prise en compte, notamment, en exploitant des principes mécaniques bistables monolithiques ayant fait leurs preuves dans les microsystèmes [15]. Ces derniers ne nécessitent une énergie qu’aux instants de transition, minimisant ainsi la consommation globale. La figure 7 schématise un scénario utilisant ce principe et destiné à réguler le taux de glucose dans l’organisme grâce à un serpentin capturant le glucose placé dans le duodénum (en lien avec le projet « Taenia artificiel ».

 

Programme de travail prévisionnel

Les travaux de recherche seront organisés autour des axes suivants ordonnés selon leur articulation temporelle :

  • mise au point des protocoles de fabrication de structures biocompatibles à l’aide de la station d’impression 3D Fortus 400mc ;
  • étude des interactions microrobot / environnement gastrique pour le dimensionnement et la conception préliminaire ;
  • modélisation et conception CAO de prototypes de microrobots intracorporels ;
  • fabrication de prototypes et tests dans des environnements artificiels représentatifs des conditions de travail ;
  • retour sur conception pour l’optimisation des microrobots ;
  • étude des possibilités d’essais cliniques.

Interaction avec les autres laboratoires du LABEX CAMI

Des partenariats forts ont été identifiés entre les laboratoires membres du LABEX CAMI. Ainsi, le projet FLEXTER est fondé sur un noyau réunissant trois laboratoires: le LIRMM- ICUBE-TIMC IMAG