Science des matériaux
Électronique interne – Combler le fossé avec l’or
Le marché des dispositifs médicaux implantables croît régulièrement, stimulé par une augmentation des maladies chroniques et une prise de conscience croissante des consommateurs. Le rythme est solidement soutenu par les avancées technologiques, aidant à rendre ces dispositifs plus efficaces, pratiques et peu coûteux.
Les chiffres suggèrent que le marché des dispositifs médicaux implantables dans le monde doublera presque en une décennie, passant de 105,7 milliards de dollars US en 2023 à 207,0 milliards de dollars US en 2033. Aujourd’hui, nous commencerons par examiner l’une des innovations les plus déterminantes de ce domaine récemment, qui est également symptomatique de l’espace florissant où la physiologie médicale croise l’électronique efficace.
Les nanofils d’or et les électrodes souples sont prêts à être connectés au système nerveux
Une équipe de chercheurs de l’Université de Linköping a créé des nanofils d’or et développé des électrodes souples qui peuvent fonctionner de façon équivalente aux nerfs humains en termes d’élasticité, de conduction électrique, et de durabilité à l’intérieur du corps.
Les chercheurs et experts voient un potentiel immense dans cette innovation. Pour commencer, elle ouvre des frontières où il pourrait être possible d’utiliser l’or dans des interfaces souples pour connecter l’électronique au système nerveux à des fins médicales.
Si elle est déployée correctement, cela peut permettre d’atténuer des affections aussi complexes que l’épilepsie, la maladie de Parkinson et la paralysie, ainsi qu’un problème aussi répandu que la douleur chronique.
Depuis un certain temps, les chercheurs du monde entier s’intéressent à la création d’électrodes souples qui n’endommagent pas les tissus. Cette réalisation particulière des chercheurs de l’Université de Linköping a permis d’y parvenir en créant des nanofils d’or qui étaient mille fois plus fins qu’un cheveu et incorporés dans un matériau élastique pouvant fonctionner comme micro‑électrodes souples.
Klas Tybrandt, tout en détaillant l’unicité de la recherche et de ses résultats, a déclaré :
“Nous avons réussi à créer un nouveau nanomatériau amélioré à partir de nanofils d’or combinés à du silicone très souple. Faire fonctionner ces deux éléments ensemble a donné un conducteur à haute conductivité électrique, très souple et composé de matériaux biocompatibles qui fonctionnent avec le corps.”
Création de nanofils d’or : défis relevés et surmontés
L’une des principales difficultés rencontrées par les chercheurs concernait la production de nanostructures d’or longues et étroites. Les chercheurs ont trouvé une méthode unique pour surmonter ce défi, en utilisant des nanofils d’argent. En expliquant comment cet exploit unique pouvait être réalisé, Klas Tybrant a déclaré ce qui suit :
“Comme il est possible de fabriquer des nanofils d’argent, nous en tirons parti et utilisons le nanofil d’argent comme une sorte de moule sur lequel nous faisons croître l’or. L’étape suivante du processus consiste à enlever l’argent. Une fois cela fait, nous obtenons un matériau contenant plus de 99 % d’or..”
À l’origine, les chercheurs ne pouvaient pas utiliser l’argent car il est chimiquement réactif, s’use avec le temps et risque de se décomposer et de se décolorer. De plus, des concentrations élevées d’argent peuvent être toxiques pour le corps humain. Ils ont donc dû le revêtir d’or.
Concernant le matériau qu’ils ont mis au point et sa durabilité, les chercheurs estiment que leur solution pourrait durer au moins trois ans, surpassant de nombreux nanomatériaux développés auparavant.
Bientôt, l’équipe de recherche commencera à affiner le matériau et à créer différents types d’électrodes qui seraient encore plus petites et capables d’entrer en contact plus étroit avec les cellules nerveuses.
Le monde diversifié des implantables
Bien que l’utilité de cette recherche ait déjà été citée, il existe de nombreux autres dispositifs implantables disponibles dans le secteur des technologies médicales. Ils dans l’espace med‑tech. Ils aident à rendre le diagnostic et le traitement plus cohérents, abordables et efficaces.
Par exemple, des scientifiques de l’Université Georgia Tech ont développé un capteur implantable et portable qui surveille la guérison des anévrismes dans les vaisseaux sanguins du cerveau. Comme il fonctionne sans batterie, il peut être enroulé autour de stents ou de dérivateurs implantés pour réguler le flux sanguin.
Le capteur est créé à l’aide de l’impression 3D par jet d’aérosol, qui dépose des traces conductrices d’argent sur des substrats élastomères. Inséré via un cathéter, il utilise le couplage inductif des signaux pour la détection sans fil de l’hémodynamique biomimétique des anévrismes cérébraux.
Le processus implique trois bobines. Une bobine capte l’énergie électromagnétique transmise par une autre bobine située à l’extérieur du corps. Lorsque le sang circule à travers le stent, le capteur implanté modifie sa capacité, changeant le signal transmis à une troisième bobine externe.
Dans un autre exemple de travail similaire, un groupe d’ingénieurs de l’Université Texas A&M a développé un dispositif qui utilise le graphène et injecte du courant alternatif dans la peau pour surveiller la pression artérielle.
Appelés tatouages électroniques en graphène, ces capteurs adhésifs en graphène peuvent suivre la santé cardiovasculaire grâce à une surveillance continue. Ils peuvent continuer à fonctionner et à collecter des données pertinentes même lorsque le patient dort, fait de l’exercice ou vit des situations de stress élevé.
Des recherches sont également en cours pour déterminer comment ces dispositifs implantables peuvent exploiter et utiliser l’énergie. Par exemple, une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology a développé une batterie qui tire son énergie du glucose. Cette batterie novatrice ne mesure que 400 nanomètres d’épaisseur, soit environ 1/100 du diamètre d’un cheveu humain. Elle génère environ 43 microwatts par centimètre carré d’électricité et peut résister à des températures allant jusqu’à 600 °C.
Les chercheurs ont utilisé un substrat céramique ultra‑mince et une solution de glucose pour doter la batterie de flexibilité et la rendre pratique à placer à l’intérieur du corps.
Alors que les chercheurs s’efforcent de proposer le plus grand nombre possible de solutions technologiques nouvelles et uniques, certaines entreprises travaillent à rendre les dispositifs implantables efficaces accessibles à une adoption massive. Dans les sections suivantes, nous examinerons quelques-unes de ces solutions commerciales.
#1. CorTec
L’une des entreprises qui a constamment fourni des solutions révolutionnaires est CorTec. Entreprise certifiée ISO 13485, CorTec développe et fabrique des produits et composants pour la neuromodulation et la technologie d’implants actifs dans ses laboratoires internes et son infrastructure de salle blanche.
La gamme brevetée d’électrodes AirRay de CorTec s’avère utile pour la stimulation et l’enregistrement du tissu nerveux, servant d’interfaces idéales au système nerveux pour les dispositifs médicaux.
Par exemple, les électrodes de manchette AirRay offrent une interface électrique au système nerveux périphérique, tandis que les électrodes grille et bande sont conçues pour interfacer le système nerveux central. Les électrodes percutanées AirRay sont destinées à un usage sous-cutané, ainsi qu’à l’enregistrement et à la stimulation de la moelle épinière. Enfin, les électrodes paddle AirRay offrent une interface électrique au système nerveux central, ciblant spécifiquement la moelle épinière.
En plus de cette gamme, l’une des solutions brevetées de CorTec comprend ses électrodes corticales. Il s’agit des électrodes ECoG de CorTec pour la neuromonitorisation invasive. Grâce à ces électrodes, il est possible d’effectuer la surveillance des signaux électriques cérébraux, ce qui correspond aux exigences de localisation des foyers épileptogènes ou de cartographie cérébrale. Les électrodes peuvent être utilisées pendant un maximum de 29 jours, et il est possible de connecter un total de 64 électrodes en n’utilisant que deux câbles. Les contacts des électrodes sont presque imperceptibles et se verrouillent solidement avec le matériau pour éviter leur séparation du silicone.
L’un des aspects les plus cruciaux des électrodes corticales de CorTec est que la FDA les a jugées aptes à l’approbation et à la mise sur le marché pour la neuromonitorisation invasive du système nerveux central. Le portefeuille de produits comprend toutes les configurations de contacts possibles, de 1×4 à 8×8 contacts d’électrodes.
En plus d’un financement public important, CorTec, selon sa déclaration officielle, a levé quatre tours de financement. Sa liste d’investisseurs actuels comprend Mangold Invest, M‑Invest, Kfw, High‑Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital et K & S W Invest.
Le financement public comprend des subventions du ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) et de l’Union européenne.
#2. Atrotech
Une autre entreprise qui réalise depuis des décennies un travail quelque peu niche mais révolutionnaire dans ce domaine est Atrotech. Fondée en 1984 et située dans le Technopolis Hermia, Tampere, Finlande, Atrotech est née d’idées de produits interdisciplinaires combinant les sciences médicales et le bio‑ingénierie, l’activité principale étant centrée sur la stimulation électrique fonctionnelle (FES).
Deux des contributions majeures d’Atrotech dans ce domaine comprennent la conception et la fabrication de neurostimulateurs implantables et d’électrodes implantables.
Dans la conception des électrodes, l’entreprise s’appuie sur plus de 30 ans d’expertise dans la fabrication d’électrodes de contact en platine de haute qualité, de fils conducteurs et de connecteurs multipolaires. Le domaine de service qu’elle couvre comprend les projets de recherche, les essais cliniques et les dispositifs médicaux distribués commercialement.
L’entreprise dispose d’un processus de production flexible, lui permettant de fabriquer de petites quantités ainsi que des volumes à plus grande échelle de manière rapide et économique. De plus, l’entreprise est en contact avec de nombreux médecins et universités aux premiers stades du développement et du prototypage de nouveaux dispositifs médicaux potentiels.
L’une des études récemment financées par l’entreprise visait à évaluer la faisabilité et la sécurité d’une nouvelle approche de neurostimulation temporaire, amovible et implantée chirurgicalement, impliquant la partie distale du nerf phrénique. Pour l’étude, l’entreprise a développé une électrode spécialement conçue, le stimulateur temporaire du nerf phrénique (tPNS).
Une telle collaboration entre des entreprises spécialisées et orientées industrie et un groupe de chercheurs et de médecins répartis à travers le monde rend l’avenir de l’électronique interne prometteur et prêt à prospérer.
La trajectoire future de l’électronique interne
Selon une recherche récente publiée en juillet 2024 dans la revue « Nature », des chercheurs ont développé une électrode implantable à base d’alliage biodégradable Mg‑Nd‑Zn‑Zr qui fonctionnerait bien dans une application de soudage tissulaire par radiofréquence (RF) de nouvelle génération.
On s’attend à ce que l’électrode réduise les dommages thermiques et augmente la résistance anastomotique. Conçue avec différentes caractéristiques structurelles de surface cylindrique (CS) et d’anneau long continu (LR) dans la zone de soudage, les simulations électrothermiques de l’électrode ont été étudiées par analyse par éléments finis (FEA).
Les résultats ont montré que la température moyenne dans la zone de soudage et la proportion de tissu nécrotique diminuaient de façon significative lorsqu’un courant alternatif de 110 V était appliqué pendant 10 secondes à l’électrode LR. Les températures maximale et moyenne des tissus soudés par l’électrode LR pouvaient également être réduites de façon notable, tandis que la résistance anastomotique du tissu soudé s’améliorait.
Imec, un laboratoire fondé en 1984 pour aider et permettre à l’industrie des semi‑conducteurs de se développer fonctionnellement, a également réalisé des percées pionnières dans les implantables à l’échelle nanométrique. Il a contribué au développement d’implants minimalement invasifs adaptés aux prothèses haptiques de prochaine génération. Le prototype de puce implantable qu’Imec a développé avec l’Université de Floride offre aux patients un contrôle plus intuitif de leurs prothèses de bras. L’un de ses composants majeurs, la puce en silicium mince, est la première au monde en densité d’électrodes et a été développée dans le cadre du projet IMPRESS financé par le programme HAPTIX de la DARPA pour créer un système en boucle fermée pour la technologie des prothèses haptiques de génération future.
L’une des publications scientifiques sur l’importance des bioélectroniques implantables à base de carbone a fait une observation cruciale sur l’utilité de l’électronique interne. Pour citer textuellement, la publication observe : “
Parce que les bioélectroniques implantables peuvent détecter des informations corporelles ou déclencher des réactions corporelles chez les êtres vivants depuis des sites extérieurs au corps, elles deviennent des remèdes utiles et prometteurs pour une variété de maux.
À l’avenir, les matériaux carbonés joueront un rôle crucial dans la fabrication d’électroniques médicales implantables. Ces avantages comprennent la biocompatibilité de haut niveau des matériaux carbonés, leur résistance à la fatigue et leur faible densité spécifique. Ces matériaux sont utilisés dans un large éventail d’applications, notamment les dispositifs de délivrance de médicaments, les biocapteurs, les stimulateurs thérapeutiques et le stockage d’énergie. Toutes ces propriétés ont un rôle à jouer dans les domaines neurologiques, cardiovasculaires, gastro‑intestinaux et locomoteurs.
Les actionneurs implantables, les biocapteurs, les systèmes de délivrance de médicaments et les alimentations—tous bénéficient des avancées dans le domaine de l’électronique interne ou implantable. Un progrès supplémentaire dans ce domaine nécessitera une approche plus interdisciplinaire impliquant des chercheurs en biosciences, des scientifiques des matériaux et des physiciens du monde entier.
