Une antenne injectable pourrait alimenter en toute sécurité des implants médicaux dans les tissus profonds

Des chercheurs du MIT Media Lab ont développé une antenne, de la taille d’un fin grain de sable, qui peut être injectée dans le corps pour alimenter sans fil des implants médicaux dans les tissus profonds, tels que des stimulateurs cardiaques chez les patients cardiaques et des neuromodulateurs chez les personnes souffrant d’épilepsie ou de la maladie de Parkinson.

“Il s’agit de la prochaine étape majeure dans la miniaturisation des implants de tissus profonds”, déclare Baju Joy, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le groupe de recherche Nano-Cybernetic Biotrek du Media Lab. “Il permet des implants sans pile qui peuvent être placés avec une aiguille au lieu d’une intervention chirurgicale majeure.”

Un article détaillant ce travail a été publié dans le numéro d’octobre de Transactions IEEE sur les antennes et la propagation. Joy est rejoint sur l’article par l’auteur principal Yubin Cai, Ph.D. étudiant au Media Lab; Benoît XE Desbiolles et Viktor Schell, anciens postdoctorants du MIT ; Shubham Yadav, titulaire d’un doctorat au MIT. étudiant en arts et sciences médiatiques; David C. Bono, instructeur au Département de science et d’ingénierie des matériaux du MIT ; et l’auteur principal Deblina Sarkar, professeur agrégé de développement de carrière AT&T au Media Lab et chef du groupe Nano-Cybernetic Biotrek.

Les implants de tissus profonds sont actuellement alimentés soit par une batterie de plusieurs centimètres de long implantée chirurgicalement dans le corps, nécessitant un remplacement périodique, soit par une bobine magnétique placée chirurgicalement, également d’une taille centimétrique, qui peut récupérer de l’énergie sans fil. La méthode de la bobine ne fonctionne qu’à hautes fréquences, ce qui peut provoquer un échauffement des tissus, limitant la quantité de puissance pouvant être fournie en toute sécurité à l’implant lorsqu’il est miniaturisé à des tailles inférieures au millimètre.

“Après cette limite, vous commencez à endommager les cellules”, explique Joy. Comme indiqué dans le document de l’équipe, “développer une antenne aux dimensions ultra-petites (moins de 500 micromètres) qui puisse fonctionner efficacement dans la bande des basses fréquences est un défi”.

L’antenne de 200 micromètres, développée grâce aux recherches menées par Sarkar, fonctionne à basses fréquences (109 kHz) grâce à une nouvelle technologie dans laquelle un film magnétostrictif, qui se déforme lorsqu’un champ magnétique est appliqué, est laminé avec un film piézoélectrique, qui convertit la déformation en charge électrique.

Lorsqu’un champ magnétique alternatif est appliqué, les domaines magnétiques à l’intérieur du film magnétostrictif le déforment de la même manière qu’un morceau de tissu entrelacé de morceaux de métal se déformerait s’il était soumis à un aimant puissant. La contrainte mécanique dans la couche magnétostrictive amène la couche piézoélectrique à générer des charges électriques entre les électrodes placées au-dessus et en dessous.

“Nous exploitons cette vibration mécanique pour convertir le champ magnétique en champ électrique”, explique Joy.

Sarkar affirme que l’antenne nouvellement développée fournit quatre à cinq ordres de grandeur de puissance en plus que les antennes implantables de taille similaire qui reposent sur des bobines métalliques et fonctionnent dans la gamme de fréquences GHz.

“Notre technologie a le potentiel d’ouvrir une nouvelle voie pour les dispositifs bioélectriques mini-invasifs capables de fonctionner sans fil en profondeur dans le corps humain”, dit-elle.

Le champ magnétique qui active l’antenne est fourni par un dispositif similaire à un chargeur de téléphone portable sans fil rechargeable et est suffisamment petit pour être appliqué sur la peau sous forme de patch adhésif ou glissé dans une poche proche de la surface de la peau.

L’antenne étant fabriquée avec la même technologie qu’une micropuce, elle peut être facilement intégrée à la microélectronique déjà existante.

“Ces composants électroniques et ces électrodes peuvent facilement être beaucoup plus petits que l’antenne elle-même, et ils seraient intégrés à l’antenne lors de la nanofabrication”, explique Joy, ajoutant que les travaux des chercheurs s’appuient sur 50 ans de recherche et de développement appliqués à la fabrication de transistors et d’autres composants électroniques de plus en plus petits. “Les autres composants peuvent être minuscules et l’ensemble du système peut être placé par injection à l’aiguille.”

Selon les chercheurs, la fabrication des antennes pourrait être facilement augmentée, et plusieurs antennes et implants pourraient être injectés pour traiter de grandes zones du corps.

Une autre application possible de cette antenne, outre la stimulation cardiaque et la neuromodulation, est la détection du glucose dans le corps. Des circuits dotés d’un capteur optique pour détecter le glucose existent déjà, mais le processus bénéficierait grandement d’une alimentation sans fil pouvant être intégrée de manière non invasive à l’intérieur du corps.

“Ce n’est qu’un exemple”, dit Joy. “Nous pouvons exploiter toutes ces autres techniques également développées en utilisant les mêmes méthodes de fabrication, puis les intégrer facilement à l’antenne.”

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.