Les nanorobots pourraient transformer la médecine

Bien que des normes spécifiques soient nécessaires pour les nanorobots, certains comités techniques ont publié des documents dans des domaines connexes. Découvrez les avancées technologiques permises par ces dispositifs miniatures, notamment dans le domaine médical.

Nanorobots et cellules sanguines

Soixante ans après la sortie du film Le Voyage fantastique , la science dépasse enfin le stade de la fantaisie avec des agents nanorobotiques conçus pour parcourir des milliers de kilomètres de vaisseaux à l'intérieur d'un être vivant, acheminant des médicaments directement aux poumons, au cerveau ou au cœur.

« Nous utilisons l’IRM pour guider de minuscules particules thérapeutiques à l’intérieur du corps, en les traitant en quelque sorte comme des microrobots », explique le professeur Sylvain Martel du Département de génie informatique et de génie logiciel de Polytechnique Montréal. « Nous pouvons visualiser leur position et contrôler leur trajectoire grâce à des champs magnétiques. »

Le marché mondial de la nanobotique représentait 9,1 milliards de dollars en 2024 et devrait atteindre 20,45 milliards de dollars d'ici 2030, la biomédecine étant le principal moteur de la demande. « Pour le cancer du foie, par exemple, nous prévoyons d'introduire ces particules par l'artère hépatique, selon un concept similaire à celui du film "Le Voyage fantastique" », explique Martel. « Les résultats sont très encourageants. »

Néanmoins, cette technologie n'a pas encore quitté le laboratoire et n'a pas encore fait l'objet d'essais sur les animaux. Il est encore trop tôt pour tirer des conclusions définitives et sa production à grande échelle est loin d'être envisageable. La nanorobotique recèle un immense potentiel pour l'administration ciblée de médicaments, mais son application clinique chez l'humain est complexe.

Microrobotique ou nanorobotique ?

La nanorobotique désigne le domaine émergent des sciences et technologies qui s'intéresse à la conception, au développement et au contrôle de robots à l'échelle nanométrique. Dans la recherche médicale et les articles traitant des avancées dans ce domaine, les termes « nano » et « micro » sont toutefois utilisés indifféremment. Le terme « nanomédecine » est employé depuis au moins 15 ans pour décrire l'utilisation de la nanorobotique dans des interventions nécessitant habituellement une microchirurgie invasive.

En termes simples, nano et micro sont des unités de mesure de taille. L'échelle nanométrique s'étend de 1 à 100 nanomètres, un nanomètre (nm) étant égal à un milliardième de mètre. Cette taille est comparable à la largeur d'une molécule d'ADN. Un micron, ou micromètre, est 1 000 fois plus grand qu'un nanomètre et se mesure en μm ; 1 à 10 μm correspondent à la longueur d'une bactérie.

« On parle souvent de “micro-nanorobotique”, mais lorsqu’on observe la nature, les organismes qui se déplacent réellement – ​​bactéries, paramécies, spermatozoïdes – ne sont pas à l’échelle nanométrique. Ils sont à l’échelle micrométrique », explique le Dr Bradley Nelson , professeur de robotique et de systèmes intelligents à l’ETH de Zurich. Le corps d’E. coli, par exemple, mesure un à deux microns de diamètre, avec une queue d’environ 15 à 20 microns de long qui lui permet de se propulser grâce à sa rotation. Les spermatozoïdes ont une taille similaire.

Lorsque les chercheurs conçoivent des robots contrôlables au sein d'un organisme vivant, ils travaillent à l'échelle micrométrique, car tout ce qui est plus petit est sujet au mouvement brownien. « En dessous d'un micron environ, les impacts atomiques aléatoires prédominent », explique Nelson. « La locomotion dirigée devient beaucoup plus difficile et moins efficace. C'est pourquoi la nature a développé des systèmes de propulsion micrométriques, comme le moteur rotatif des bactéries ou les flagelles battants des cellules eucaryotes. Ainsi, pour un mouvement contrôlable, l'échelle micrométrique est souvent optimale. »

Des robots de la taille de globules rouges

Les nanorobots évoquent souvent l'image d'objets mécaniques minuscules et contrôlables, des caractéristiques qui s'appliquent également en médecine. La recherche s'inspire de la possibilité d'utiliser les propriétés quasi robotiques de l'ADN, des bactéries ou d'autres substances biologiques pour transporter et libérer des médicaments avec une efficacité supérieure aux techniques chirurgicales classiques. 

Les premières bactéries ont été observées en 1675, mais il a fallu près de 300 ans pour découvrir qu'elles nagent grâce à un moteur rotatif. Inspirés par cette découverte, les scientifiques ont commencé à étudier la dynamique des fluides de la locomotion bactérienne et à explorer comment les nanotechnologies pourraient reproduire certains de ces mécanismes. Des chercheurs comme Howard Berg (qui a contribué à la découverte du mécanisme du moteur rotatif des bactéries flagellées telles qu'E. coli et Salmonella) ont décrit les bactéries comme les « microrobots » de la nature.

Nelson explique : « Ces organismes mesurent généralement de un à deux microns de long et possèdent des chimiorécepteurs qui fonctionnent comme des capteurs, un moteur rotatif qui actionne leur flagelle et une voie de signalisation qui détermine s’ils se déplacent dans une direction favorable. L’ADN et les plasmides agissent comme un « logiciel embarqué », contrôlant la production de protéines. À bien des égards, ce sont de véritables robots autonomes. »

Les méthodes de fabrication ont évolué, passant de matériaux tels que l'arséniure de gallium et l'arséniure d'indium-gallium à des structures à base de polymères grâce à des systèmes d'impression 3D à l'échelle nanométrique . Ces dispositifs mesurent de 5 à 10 microns de long, une taille comparable à celle d'un globule rouge.

Les normes s'attaquent à la miniaturisation

La miniaturisation croissante des composants électroniques constitue l'une des grandes tendances techniques qui orientent les travaux de certains comités techniques. Bien que ces travaux ne portent pas spécifiquement sur les microrobots, ils pourraient être liés aux futurs efforts de normalisation dans ce domaine.

Le comité technique 47 de l’ICE (International Electrotechnical Commission) a créé un sous-comité dédié à la normalisation des systèmes microélectromécaniques (MEMS). Parmi ses normes, la série IEC 62047 spécifie plusieurs tests de performance pour les micromatériaux. Markus Schwerdtfeger, président du comité technique 40 de la IEC , explique comment la miniaturisation bouleverse les enjeux de son comité technique et de nombreux autres. Le comité technique 40 élabore des normes pour les condensateurs destinés aux circuits électroniques. « Les composants deviennent microscopiques, tout en devant offrir des performances équivalentes, voire supérieures. Pour le comité technique 40, cela représente un défi considérable, notamment en matière de gestion thermique et de fiabilité dans des espaces extrêmement réduits. Nous devons adapter en permanence nos procédures de test pour ces minuscules composants montés en surface (CMS). »

L'IECQ , l'un des quatre systèmes d'évaluation de la qualité de la IEC, fournit un système de certification des composants approuvé, qui garantit que les petits composants sont soumis à des tests de fiabilité complets afin d'assurer leurs performances dans diverses conditions, telles que les fluctuations de température, les vibrations et les contraintes.

Le comité technique mixte ISO/IEC JTC 1, créé conjointement par l'ISO et la IEC et spécialisé dans les technologies de l'information, a publié plusieurs normes relatives à l'impression 3D, notamment pour le secteur médical. La IEC a également mis en place récemment un comité mixte systèmes avec l'ISO afin d'étudier la convergence bio-numérique. Ce comité devrait examiner les exigences en matière de normes pour ce secteur technologique en pleine expansion.

Contrôle et navigation par champs magnétiques

D'autres questions portent sur le suivi et la coordination des nanorobots, ainsi que sur leur capacité d'adaptation à leur environnement. Les méthodes d'actionnement incluent la propulsion chimique et la propulsion lumineuse . Les chercheurs ont également exploré la propulsion acoustique par ultrasons. La plupart des travaux se sont concentrés sur l'utilisation de gradients de champ magnétique ou de champs magnétiques rotatifs.

« Le contrôle magnétique offre une biocompatibilité, une pénétration tissulaire profonde et une programmabilité externe précise », explique Nelson. Pour rappel, les champs magnétiques peuvent générer des couples et des forces sur les corps magnétiques. Si un dipôle magnétique – comme un microrobot en fer, en nickel ou en néodyme-fer-bore – est placé dans un champ magnétique, il subit un couple qui l'aligne avec ce champ. En présence d'un gradient de champ magnétique, le dipôle subit une force qui le déplace vers les zones de champ plus intense.

« Nous générons généralement ces champs à l’aide d’électroaimants montés sur des bras robotisés. L’un des principaux avantages des électroaimants est qu’aucun élément mécanique ne doit être déplacé, hormis le flux d’électrons dans les bobines. En ajustant le courant, nous pouvons modifier instantanément l’intensité et la direction du champ. À l’inverse, les systèmes à aimants permanents peuvent générer des champs plus puissants, mais nécessitent le déplacement physique d’aimants volumineux, ce qui les rend plus lents et moins flexibles. »

Des scientifiques testent des robots magnétiques de 300 nanomètres pour traiter les anévrismes cérébraux. Ces minuscules chirurgiens, guidés par des aimants externes, se regroupent au niveau de la lésion et libèrent des protéines de coagulation sanguine en quelques secondes.  

Martel dirige une équipe qui développe une méthode utilisant des bactéries magnétotactiques (BMT) sensibles aux champs magnétiques. « Ces bactéries migrent naturellement vers les environnements hypoxiques (pauvres en oxygène) comme les tumeurs », explique-t-il. « Une fois guidées à proximité d'une tumeur par des champs magnétiques, elles se déplacent de manière autonome vers les zones hypoxiques et y délivrent le médicament thérapeutique directement là où il est nécessaire. »

Normes médicales pour les IRM

Cette approche pourrait s'avérer encore plus performante que les particules guidées par IRM, car les bactéries agissent comme des microrobots autonomes dotés de capacités de détection intégrées. Martel explique : « Nous synthétisons des chaînes de nanoparticules magnétiques à l'intérieur des bactéries, qui font office d'aiguille de boussole. En créant des gradients de champ magnétique, nous pouvons orienter les bactéries dans une direction précise. Contrairement à la manipulation directe d'un objet par force magnétique, nous alignons simplement leur "boussole" interne. Les bactéries se propulsent ensuite grâce à leurs propres moteurs moléculaires (flagelles). »

Le contrôle par couple magnétique requiert des champs magnétiques beaucoup plus faibles et repose davantage sur le système de propulsion naturel des bactéries. Selon Martel, les mycorhizes sont dix fois plus puissantes que les bactéries classiques pour se propulser.

Pour mettre en œuvre de tels systèmes, le patient devrait être placé sous fluoroscopie . Les chirurgiens visualisent la capsule par radiographie et la dirigent à l'aide de champs magnétiques contrôlés avec précision. « À proprement parler, le "robot" désigne l'ensemble du système – imagerie, contrôle magnétique, interaction avec l'utilisateur – et pas seulement la capsule », explique Nelson.

Le comité technique 62 de la IEC (IEC TC 62) est l'un des deux comités de normalisation médicale de la IEC. Il a élaboré de nombreuses normes relatives à la sécurité des dispositifs médicaux, notamment des appareils à rayons X. La série de normes IEC 62220 spécifie les différentes caractéristiques des appareils à rayons X.

L'IECEE , le système d'évaluation de la conformité de la IEC pour les équipements et composants électrotechniques, propose des services de test et de certification pour la sécurité, la fiabilité, l'efficacité et les performances globales des équipements électriques à usage médical, qu'ils soient neufs ou remis à neuf, conformément aux normes internationales de la IEC.

Le comité technique 113 de la IEC (IEC TC 113) définit les objectifs de normalisation des technologies relatives aux produits et systèmes électrotechniques dans le domaine des nanotechnologies, y compris la nanofabrication, en étroite collaboration avec d'autres comités de la IEC et de l'ISO. Bien qu'il soit encore trop tôt pour tirer des conclusions définitives, il pourrait s'engager dans la normalisation des exigences relatives aux nanorobots.

Matériaux biocompatibles : la sécurité est primordiale

Il est essentiel que les matériaux utilisés pour fabriquer ces nano-microrobots soient reconnus sûrs et non toxiques. « Nous devons démontrer leur innocuité dans les vaisseaux sanguins, sans effets secondaires nocifs, et leur biodégradation contrôlée dans un délai précis », explique Martel. « Même si la navigation fonctionne parfaitement, il faut encore prouver que tout est sans danger pour les patients. »

L’or, le dioxyde de titane et les polymères biodégradables comme l’acide polylactique-co-glycolique (PLGA) sont devenus des matériaux de choix grâce à leur innocuité reconnue dans les applications médicales. Des paillettes de graphène peuvent être intégrées à un hydrogel polymère pour créer des structures sensibles à la lumière infrarouge. « Le graphène absorbe le rayonnement infrarouge, génère un échauffement localisé et provoque le gonflement de l’hydrogel, permettant ainsi un changement de forme contrôlé », explique Nelson. « Cela nous a permis de fabriquer des microrobots déformables dont la morphologie pouvait être contrôlée dynamiquement. »

L'ETH Zurich a développé une microcapsule composée d'une matrice de gel polymère, de particules d'oxyde de fer (qui réagissent donc aux champs magnétiques), de tantale (Ta), qui apparaît clairement sous imagerie aux rayons X, et d'une charge utile médicamenteuse (telle que l'activateur tissulaire du plasminogène pour dissoudre les caillots sanguins).

Nelson explique : « L’oxyde de fer sert d’actionneur, réagissant aux champs magnétiques. Le tantale permet l’imagerie sous fluoroscopie (rayons X). Le médicament assure l’action thérapeutique. La matrice polymère maintient l’ensemble et se dissout au niveau de la cible. Les aimants les plus puissants, comme le néodyme-fer-bore, sont toxiques. C’est pourquoi nous utilisons de l’oxyde de fer. Il est plus sûr, bien que moins puissant. »

L'approbation réglementaire est un obstacle.

Comme la R&D de cette technologie émergente intègre la biologie, la chimie et la robotique, et implique des traitements médicaux pour l'humain, l'approbation réglementaire est complexe. « Si un composant n'est pas autorisé pour l'usage humain, il faut soit investir des ressources considérables pour obtenir son approbation, soit reformuler la formule entière », explique Martel. « Une reformulation peut considérablement retarder les progrès. Nous approchons des essais cliniques, même si je ne peux pas donner de calendrier précis. On ne parle pas de 50 ans, mais l'approbation réglementaire prend du temps. »

Les cadres réglementaires encadrant le déploiement des nanorobots médicaux évoluent afin de répondre aux défis spécifiques posés par ces systèmes autonomes. La FDA , qui réglemente les agents de chimiothérapie nanotechnologiques aux États-Unis, souligne que « les modifications mêmes des propriétés biologiques, chimiques et autres qui rendent les applications nanotechnologiques si prometteuses pourraient justifier un examen approfondi afin de déterminer leurs effets sur la sécurité, l’efficacité ou d’autres caractéristiques des produits ».

Les chercheurs explorent des comportements plus programmables, comme la modification de l'aimantation in situ ou l'ajout d'éléments logiques. Une solution possible repose sur la coercivité, la « dureté » magnétique d'un matériau.

« À l’échelle nanométrique, la coercivité peut être ajustée en modifiant la forme d’une structure », explique Nelson. « Nous pouvons créer des structures présentant des anisotropies magnétiques et des propriétés coercitives distinctes. L’exposition de la structure à des champs magnétiques d’intensités et de directions variables permet une aimantation sélective. Cela ouvre la voie à la programmation. » Un champ magnétique plus intense pourrait aimanter de façon permanente une partie du nanorobot, tandis qu’un champ plus faible aimanterait une autre partie avec une coercivité moindre.

« En concevant des motifs de domaines magnétiques spécifiques et en codant les vecteurs de magnétisation dans différentes directions, nous avons obtenu des comportements tels que des mouvements de rotation, une dynamique de type vol stationnaire et des déformations distinctes », explique Nelson. Le fait que la géométrie et le codage magnétique définissent conjointement le comportement ouvre des perspectives fascinantes sur des concepts de robotique tels que la planification des mouvements, la complexité et le contrôle – désormais mis en œuvre physiquement à l'échelle micro-nano.

Quelles applications en oncologie ?

L'administration ciblée de médicaments par nanorobotique est particulièrement adaptée au traitement du cancer car elle pallie une limitation majeure de la chimiothérapie : moins de 1 % des médicaments injectés atteignent effectivement la tumeur. Le reste circule dans l'organisme, provoquant des effets secondaires. Étant donné qu'environ 85 à 90 % des cancers sont des tumeurs localisées, l'administration ciblée se justifie pleinement.

« Imaginez une goutte d'encre au milieu d'une piscine », explique Martel. « Elle ne se diffusera pas suffisamment pour atteindre les bords. Les vaisseaux sanguins des tumeurs acheminent les médicaments à seulement 6 à 8 micromètres de profondeur dans les tissus. Or, les zones hypoxiques des tumeurs peuvent se situer à 80-100 micromètres des vaisseaux sanguins. En transportant activement les médicaments au cœur de ces zones hypoxiques, la nanorobotique résout ce problème de diffusion. »

En 2024, des chercheurs de l'Institut Karolinska en Suède ont créé des nanorobots d'ADN capables de cibler les cellules cancéreuses chez la souris. Ces robots sont dotés d'un « interrupteur d'arrêt » qui ne s'active que dans l'environnement acide entourant les tumeurs. Résultat : la croissance tumorale est considérablement réduite, tandis que les cellules saines restent totalement intactes. Nelson explique : « Notre objectif avec cette technologie est d'administrer des doses locales très élevées directement à la tumeur – qu'il s'agisse d'un cancer du sein ou d'une tumeur cérébrale comme le glioblastome – tout en minimisant l'exposition du reste du corps. »

Applications au-delà du domaine biomédical : dépollution de l’eau et des PFAS

Outre le domaine médical, les nanorobots souples trouvent des applications environnementales, notamment pour le traitement des toxines et des polluants persistants tels que les PFAS présents dans l'eau, l'élimination des résidus pharmaceutiques des eaux usées hospitalières et le nettoyage des marées noires.

« Chaque fois que la nature développe un système de locomotion à petite échelle, elle résout un problème de transport. Ce principe peut inspirer des solutions aussi bien en médecine qu'en dépollution », explique Nelson. Des chercheurs tchèques ont mis au point des nanorobots de 200 nm de diamètre capables d'éliminer 65,2 % de l'arsenic présent dans l'eau contaminée en seulement 100 minutes. Fonctionnant comme de minuscules agents d'entretien dotés de mains en polymère, ils capturent les molécules toxiques grâce à l'énergie des champs magnétiques.

Selon Martin Pumera, de l'Université de chimie et de technologie de Prague, cette invention pourrait offrir une solution durable et abordable pour le traitement des eaux contaminées dans les stations d'épuration. Il s'agit désormais de développer et de industrialiser ce procédé à l'échelle industrielle afin de cibler différents produits chimiques ou polluants. 

La médecine est un domaine naturellement conservateur. Tout nouveau dispositif doit être au moins aussi sûr et efficace que les traitements de référence actuels. Les organismes de réglementation exigent la preuve que les risques sont minimisés. De ce fait, le développement des agents nano-microrobotiques en médecine sera progressif, sauf pour les maladies pour lesquelles les options thérapeutiques sont rares. Dans le traitement du glioblastome, dont le taux de survie est extrêmement faible , une approche plus globale peut se justifier.

https://etech.iec.ch/issue/2026-02/nanorobots-could-transform-medicine