Les ingénieurs du MIT conçoivent un ventilateur souple et implantable

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Pour beaucoup d’entre nous, l’acte de respirer vient naturellement. Dans les coulisses, notre diaphragme – le muscle en forme de dôme qui se trouve juste sous la cage thoracique – fonctionne comme un trampoline lent et régulier, poussant vers le bas pour créer un vide permettant aux poumons de se dilater et d'aspirer l'air, puis se détendant lorsque l'air est expulsé. . De cette manière, le diaphragme contrôle automatiquement notre capacité pulmonaire et constitue le principal muscle responsable de notre capacité à respirer.

Mais lorsque la fonction du diaphragme est compromise, l’instinct respiratoire devient une tâche laborieuse. Un dysfonctionnement chronique du diaphragme peut survenir chez les personnes atteintes de SLA, de dystrophie musculaire et d'autres maladies neuromusculaires, ainsi que chez les patients souffrant de paralysie et de lésions du nerf phrénique, qui stimule la contraction du diaphragme.

Une nouvelle conception de validation de principe réalisée par les ingénieurs du MIT vise à renforcer un jour la fonction vitale du diaphragme et à améliorer la capacité pulmonaire des personnes souffrant de dysfonctionnement du diaphragme.

L'équipe du MIT a développé un ventilateur souple, robotique et implantable conçu pour augmenter les contractions naturelles du diaphragme. Au cœur du système se trouvent deux tubes souples en forme de ballon qui peuvent être implantés pour reposer sur le diaphragme. Lorsqu'ils sont gonflés avec une pompe externe, les tubes agissent comme des muscles artificiels pour appuyer sur le diaphragme et aider les poumons à se dilater. Les tubes peuvent être gonflés à une fréquence adaptée au rythme naturel du diaphragme.

Les chercheurs ont démontré le ventilateur implantable sur des modèles animaux et ont montré qu'en cas de fonctionnement compromis du diaphragme, le système était capable d'améliorer considérablement la quantité d'air que les poumons pouvaient aspirer.

Il reste encore beaucoup de travail à faire avant qu’un tel système implantable puisse être utilisé pour traiter les humains souffrant d’un dysfonctionnement chronique du diaphragme. Mais les résultats préliminaires ouvrent une nouvelle voie dans la technologie de la respiration assistée que les chercheurs souhaitent optimiser.

"Il s'agit d'une preuve de concept d'une nouvelle façon de ventiler", déclare Ellen Roche, professeure agrégée de génie mécanique et membre de l'Institut de génie médical et des sciences du MIT. « La biomécanique de cette conception est plus proche de la respiration normale, par rapport aux ventilateurs qui poussent l'air dans les poumons, où vous avez un masque ou une trachéotomie. Il y a un long chemin à parcourir avant que cela soit implanté chez un humain. Mais c'est passionnant de pouvoir montrer que nous pouvons augmenter la ventilation avec quelque chose d'implantable.

Roche et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans Nature Biomedical Engineering. Ses co-auteurs au MIT incluent Lucy Hu, première auteure et ancienne étudiante diplômée, ainsi que Manisha Singh et Diego Quevedo Moreno ; avec Jean Bonnemain de l'hôpital universitaire de Lausanne en Suisse, et Mossab Saeed et Nikolay Vasilyev de l'hôpital pour enfants de Boston.

Une douce pression

La conception du ventilateur implantable de l'équipe est issue des travaux antérieurs de Roche sur un dispositif d'assistance pour le cœur. En tant qu'étudiant diplômé à l'Université Harvard, Roche a développé un manchon cardiaque conçu pour s'enrouler autour du cœur pour soulager la pression et fournir un soutien pendant que l'organe pompe.

Aujourd’hui au MIT, elle et son groupe de recherche ont découvert qu’une assistance robotique douce similaire pouvait être appliquée à d’autres tissus et muscles.

« Nous avons pensé : quel est un autre gros muscle qui pompe de manière cyclique et qui maintient la vie ? Le diaphragme », explique Roche.

L’équipe a commencé à explorer les conceptions d’un ventilateur implantable bien avant le début de la pandémie de Covid-19, lorsque l’utilisation de ventilateurs conventionnels a augmenté avec les cas. Ces ventilateurs créent une pression positive, dans laquelle l'air est poussé vers le bas par les voies respiratoires centrales du patient et forcé dans les poumons.