Holly Greenberg était une étudiante diplômée de 24 ans au laboratoire de génie mécanique de l’Université Brigham Young (BYU) lorsqu’elle est tombée sur l’idée que les grues en papier pliées pourraient avoir une pertinence pour son travail.
Greenberg s’intéressait aux mécanismes conformes, c’est–à-dire aux objets dont le mouvement provient de la flexion, du pliage et de la torsion. L’un de ses meilleurs amis était un prodige de l’origami qui lui a appris quelques techniques de base. « Certaines personnes lisent beaucoup d’articles pour les études supérieures. J’ai plié beaucoup de papier ”, explique Greenberg.
Des figurines colorées en T-rex et en trappe de Vénus, ainsi que des livres de motifs en origami, ont commencé à peupler les étagères du laboratoire. Et Greenberg, avec ses professeurs, s’est rendu compte que l’art ancien du pliage de papier pouvait s’appliquer à d’autres domaines, y compris la conception d’instruments et de dispositifs médicaux.
C’était un mariage d’art et d’ingénierie, une pratique vieille de 1 000 ans appliquée à la technologie de pointe. ”Les artistes de l’origami ont découvert de nouvelles façons de faire que nous n’aurions jamais trouvées en utilisant les méthodes que nous utilisions depuis toujours », explique Larry Howell, PhD, professeur de génie mécanique et vice-président académique associé à BYU.
Au moment où Greenberg est entré dans le laboratoire en 2010, les scientifiques et les ingénieurs du monde entier utilisaient déjà les principes de l’origami – principalement l’idée que quelque chose de grand pouvait être plié en une forme compacte, puis agrandi à nouveau – dans la conception des airbags automobiles et des boucliers de fusée.
Zhong You, PhD, maintenant professeur de sciences de l’ingénierie à l’Université d’Oxford, avait travaillé sur un stent cardiaque pliable pour traiter les anévrismes aortiques, qui utilisait les principes de l’origami pour se plier d’un diamètre de 30 mm à un faible 7-9 mm pour faciliter l’insertion, puis déployé à sa taille réelle une fois à l’intérieur de l’aorte.
Et Robert J. Lang, PhD, physicien et expert en origami de renommée mondiale, avait conçu une pochette pour instruments médicaux, en utilisant l’origami pour plier un matériau plat afin que les surfaces stériles n’entrent pas en contact avec des surfaces non stériles lors de son utilisation. Lang consultait des agences gouvernementales, des entreprises privées et des universités, y compris BYU, sur les moyens d’appliquer les principes et les techniques de l’origami à une gamme de projets.
”La chose que l’origami contribue à la médecine ainsi qu’à d’autres domaines est le changement de forme déterministe », explique Lang, ce qui signifie des dispositifs qui changent de forme de manière spécifique et intentionnelle plutôt que de simplement se froisser comme une chemise fourrée dans un tiroir. « À mesure que l’origami est de plus en plus reconnu, qui fait partie de la boîte à outils de l’ingénieur, de plus en plus de personnes travaillant sur des problèmes médicaux l’ont vu et ont établi ce lien: Oh, cela pourrait être utile.”
La National Science Foundation a fait le buzz et a financé au début des années 2010 une série de subventions liées à l’origami: un atelier d’une journée sur la conception de l’origami ADN, un projet sur l’origami “intelligent” programmable et un, à BYU, sur l’application des principes de l’origami aux matériaux non papier.
L’équipe de BYU a créé un “soufflet” de style origami qui pourrait fournir une gaine stérile pour le bras incurvé d’une machine à rayons X lorsqu’il était pivoté dans différentes directions. Ils ont utilisé l’origami pour concevoir une couche adulte mieux ajustée et conforme aux courbes du corps.
”L’un des premiers modèles avec lesquels nous avons joué était quelque chose appelé le chomper », explique Spencer Magleby, PhD, professeur de génie mécanique à l’université BYU et doyen associé de l’enseignement de premier cycle. Un chomper en origami ressemble à un bec ou à une bouche; lorsqu’il est pressé sur les côtés, il s’ouvre et se ferme comme s’il mordait.
Le même principe pourrait être utilisé pour fabriquer un instrument minuscule pour la chirurgie laparoscopique, opéré avec un câble à pincer fermé pour l’insertion, puis ouvert et manipulé une fois à l’intérieur du corps. L’équipe de BYU l’a appelé une oriceps (pince chirurgicale inspirée de l’origami).
À l’Université d’État de Pennsylvanie, où Mary Frecker, PhD, dirige le Center for Biodevices, son équipe a commencé à travailler sur un dispositif pouvant être inséré à travers un endoscope pour traiter les tumeurs abdominales par ablation par radiofréquence – un courant électrique qui fait vibrer, chauffer et mourir les cellules tumorales.
L’équipe de Frecker a utilisé des techniques d’origami pour fabriquer une pointe de sonde composée de minuscules aiguilles qui pourraient se compacter pour l’insertion, puis se déployer comme une queue de paon 3D une fois à l’intérieur de la tumeur. Ils l’appelaient la « chimère », un mot grec désignant une créature composée de parties incongrues.
De tels dispositifs inspirés de l’origami présentent certains avantages par rapport aux instruments traditionnels: la simplicité de conception signifie moins de pièces mobiles et moins de possibilités pour les bactéries de se rassembler dans les charnières ou les joints, ainsi que des coûts de fabrication inférieurs.
Si les instruments médicaux et les endoprothèses pouvaient être réduits, les chirurgies elles-mêmes seraient moins invasives et perturbatrices pour le corps; la guérison pourrait être plus rapide et moins compliquée.
”L’application [de l’origami en médecine] a augmenté de concert avec l’essor de la chirurgie laparoscopique », explique Lang. « Vous voulez entrer par un tout petit trou; une fois à l’intérieur, vous voulez vous étendre, que ce soit avec des endoprothèses qui étalent un vaisseau sanguin ou des rétracteurs qui s’ouvrent pour écarter les organes. C’est là que l’origami a joué un rôle.”
L’utilisation de l’origami dans des applications médicales présente également des défis. L’origami traditionnel est basé sur l’utilisation de papier, mais les dispositifs destinés à être utilisés dans le corps doivent être fabriqués à partir de matériaux biocompatibles.
Ensuite, il y a la question de l’activation. « Comment allez-vous le faire bouger une fois arrivé à destination? » demande Lang. « Est-ce un moteur, un levier, est-il activé électriquement? »Certains appareils inspirés de l’origami se déploient lorsqu’ils atteignent une certaine température, mais cette température doit également être compatible avec le corps humain.
Greenberg a quitté BYU il y a 10 ans et travaille maintenant dans le développement commercial chez Chevron. Ses expériences en origami se limitent à plier des serviettes avec ses enfants pendant qu’ils attendent le dîner dans un restaurant chinois.
Mais partout dans le monde – à Oxford, Penn State et BYU, dans des laboratoires en Israël, en Chine, au Japon et ailleurs – les chercheurs continuent d’explorer comment l’origami pourrait s’appliquer aux dispositifs et procédures médicaux: une feuille biocompatible pliée incorporée à des médicaments de chimiothérapie qui pourraient se déployer à l’intérieur du corps; un stent minuscule, de seulement 0,5 mm de diamètre, pour traiter le glaucome; et une branche de la nanotechnologie de l’ADN qui consiste à “tricoter” de l’ADN en structures 3D qui pourraient être utilisées, par exemple, dans la bioimagerie et l’administration de médicaments “intelligents”, apportant la chimiothérapie directement dans les cellules cancéreuses cibles .
“L’intérêt pour les dispositifs médicaux inspirés de l’origami a beaucoup augmenté”au cours de la dernière décennie, explique Frecker, dont l’équipe travaille maintenant sur un produit inspiré de l’origami pour protéger les médecins qui effectuent des chirurgies des sinus de l’exposition aux gouttelettes d’aérosol de leurs patients.
À ce stade, la plupart des applications médicales inspirées de l’origami restent au stade de la recherche ou du prototype. Cela peut prendre des années pour lever des fonds, susciter l’intérêt d’un fabricant et obtenir l’approbation de la FDA. ”Cela passe progressivement des laboratoires aux entreprises », explique Howell. « Cela prend juste du temps.”
Les principes de base de l’origami – dériver le mouvement du rainage et du décrochage; convertir quelque chose de plat en quelque chose en trois dimensions; réduire quelque chose de grand en quelque chose de petit en le pliant; utiliser des techniques simples pour obtenir des résultats complexes – ont changé la façon dont les ingénieurs biomédicaux regardent leur travail.
Pour Frecker, ces concepts ont également changé sa façon de voir le monde. « Je n’ai jamais réalisé à quel point l’origami est omniprésent jusqu’à ce que je commence à travailler dessus dans mes recherches”, dit-elle. » C’est partout.”