Nouvelle technologie à ultrasons alimente les implants médicaux sans fil

Le défi d’alimenter les implants médicaux avancés

Améliorer le corps humain, ou remplacer des parties défectueuses, est un objectif de la médecine depuis les premières prothèses rudimentaires de l’Antiquité. Progressivement, à mesure que les composants mécaniques deviennent plus complexes, l’idée de remplacer des parties du corps est devenue de plus en plus populaire parmi les passionnés de science-fiction, menant à l’idée de cyborgs, des personnes à moitié humaines, à moitié machines.

Dans une certaine mesure, on pourrait soutenir que cela se produit déjà, avec des interventions telles que les implants de pacemaker ou les chirurgies de la hanche réalisées de façon routinière et complétant les problèmes du muscle cardiaque ou de l’articulation des patients, les améliorant grâce à des implants métalliques.

Alors que les implants neuronaux et autres implants médicaux avancés deviennent une réalité probable dans la prochaine décennie, nous nous rapprochons plus que jamais de la création de véritables corps cybernétiques.

Il existe toutefois un problème récurrent pour la plupart des implants médicaux: l’alimentation électrique. Les pacemakers se contentent de très petites batteries car ils ne nécessitent que des niveaux de puissance très limités. Mais des implants comme les puces neuronales nécessiteront probablement beaucoup plus d’énergie.

Les méthodes de charge sans fil traditionnelles, telles que l’induction électromagnétique et les systèmes à base de radiofréquence couramment utilisés dans les smartphones et les écouteurs, rencontrent plusieurs défis.

Elles peuvent être vulnérables à des problèmes tels que de courtes distances de transmission, une faible efficacité énergétique dans les tissus biologiques et une sensibilité aux interférences électromagnétiques.

Une autre méthode pourrait devenir possible, selon les travaux de chercheurs de l’Université de Corée, du Korea Institute of Science and Technology (KIST), de l’Université Sungkyunkwan (SKKU – Corée du Sud), de l’Université Yonsei (Corée du Sud) et de l’Université de Californie.

Ils ont développé une méthode pour recharger sans fil les dispositifs médicaux en utilisant des ultrasons. Ils ont publié leur découverte dans Advanced Materials¹, sous le titre « Un récepteur à ultrasons conforme au corps pour un transfert d’énergie sans fil efficace et stable lors d’une charge percutanée profonde ».

Pourquoi l’énergie sans fil a du mal à pénétrer les tissus humains

Les dispositifs médicaux implantables électroniques (IMD) sont utilisés dans des applications thérapeutiques de maladies ou de blessures, telles que la neurostimulation et le traitement/monitoring cardiovasculaire.

Ils nécessitent une chirurgie régulière pour le remplacement de la batterie, ce qui peut entraîner des complications pour le patient telles que des infections du site opératoire, la formation de biofilm et des coûts de santé élevés.

Certaines méthodes cherchent à exploiter l’énergie ambiante du corps, comme celle du glucose sanguin, pour alimenter ces dispositifs.

Pour certaines applications, les exigences en énergie rendent ces options irréalistes. Pour les futures applications comme les implants neuronaux, cela est encore moins probable, ce qui les maintiendrait très invasifs.

Le transfert d’énergie à distance avec des systèmes électromagnétiques ou d’ondes radio pénètre mal les tissus biologiques et peut provoquer des effets secondaires indésirables.

Le transfert d’énergie sans fil photovoltaïque est également inadapté en raison de la faible pénétration de la lumière dans les tissus et des dommages thermiques aux tissus.

En revanche, les ultrasons sont bien tolérés par les tissus biologiques et peuvent pénétrer profondément sans causer de dommages, raison pour laquelle ils sont couramment utilisés à des fins diagnostiques, y compris chez les femmes enceintes.

Comment les ultrasons permettent la charge sans fil des implants

Grâce à sa longue histoire d’utilisation en diagnostic, les ultrasons bénéficient déjà d’un vaste corpus d’études médicales et de normes déterminant les niveaux d’énergie sûrs pouvant être utilisés (la FDA définit cela comme un maximum de 0,72 W par centimètre carré).

Deux types d’appareils peuvent convertir les ultrasons en électricité: les piézoélectriques (US-PENGs) et les nanogénérateurs triboélectriques (US-TENGs).

Les US-PENGs ont été développés pour alimenter les implants électroniques, mais reposent généralement sur des céramiques piézoélectriques à base de plomb, souvent rigides et pouvant poser des problèmes de toxicité.

C’est pourquoi les chercheurs se sont concentrés sur la technologie US-TENG.

Ce dispositif recouvert de biocompatible, d’une épaisseur de 0,4 mm, atteint une densité de charge élevée adaptée à l’alimentation d’appareils électroniques jusqu’à environ 6 cm de profondeur avec des intensités d’ultrasons non invasives.

Comment ça fonctionne

Des films polymères fins ont été utilisés pour créer un US-TENG entièrement flexible, avec des couches de matériau plastique empilées les unes sur les autres, incluant de l’acrylique ou du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA).

Source: Advanced Materials

Les alcanes perfluoroalkoxy (PFA) ont été utilisés pour leurs propriétés triboélectriques sous énergie mécanique. Une couche d’électrode à l’échelle nanométrique a été déposée pour préserver les propriétés uniques du film PFA.

Une couche robuste de polyuréthane (PU) et de polyfluorure de vinylidène-trifluoroéthylène, ainsi que de titanate de calcium‑cuivre (P(VDF‑TrFE)pol/CCTO) a également été utilisée pour maximiser la production de charge électrique.

Source: Advanced Materials

Tester l’implant alimenté par ultrasons dans des conditions réelles

L’ensemble du dispositif a ensuite été encapsulé dans une solution de polydiméthylsiloxane (PDMS) pour l’étanchéité.

Ce US-TENG flexible a été testé pour ses performances dans l’eau, le polymère/hydrogel et le tissu porcin.

La première application pratique serait d’intégrer ce dispositif dans un pacemaker afin d’éliminer le besoin d’une chirurgie supplémentaire pour changer la batterie du dispositif.

Source: Advanced Materials

Parallèlement, la biocompatibilité du composite P(VDF‑TrFE)/CCTO en termes de cytotoxicité et de génotoxicité a été confirmée, vérifiant qu’il est aussi sûr en pratique que les études précédentes le prétendaient.

La génération d’énergie a été mesurée avec précision à l’aide d’un vibromètre laser, en vérifiant les vibrations du dispositif. Cela a confirmé un gain de 44 % du US‑TENG par rapport à la version précédente de la technologie similaire.

Source: Advanced Materials

Finalement, ils ont testé l’efficacité du système en fonction de l’intensité des ultrasons, de la distance et de l’angle de la source d’ultrasons, déterminant s’il pouvait être utilisé dans des conditions réalistes pour un dispositif médical dans le corps humain.

Il a confirmé qu’une intensité d’ultrasons relativement basse, une distance allant jusqu’à 4‑8 centimètres (1,5‑3 pouces) et une gamme d’angles relativement large pouvaient fonctionner.

Source: Advanced Materials

Assurer la flexibilité et la durabilité des implants médicaux

Un autre défi des dispositifs médicaux implantables est qu’ils doivent idéalement être très flexibles, car le corps humain n’est pas un cadre robotique et les organes bougent, en particulier le muscle cardiaque.

C’est pourquoi les chercheurs ont non seulement utilisé des matériaux flexibles mais ont également mesuré s’ils restaient suffisamment efficaces lorsqu’ils étaient pliés.

Source: Advanced Materials

Ils ont constaté qu’il perdait un peu de génération d’énergie lorsqu’il était plié dans une direction, mais gagnait même de l’énergie lorsqu’il était plié dans l’autre direction. L’augmentation de la génération d’énergie était due à une meilleure capture des ondes ultrasonores dans le dispositif en forme de bol et à une augmentation des collisions d’ondes à la surface du dispositif.

Cela a tout de même démontré que le dispositif pouvait être plié sans endommager ou perdre ses propriétés de génération d’énergie.

« Grâce à cette recherche, nous avons démontré que la technologie de transmission d’énergie sans fil utilisant les ultrasons peut être appliquée concrètement.

Nous prévoyons de poursuivre les recherches pour la miniaturisation et la commercialisation afin d’accélérer l’application pratique de la technologie. »

Dr. Sunghoon Hur – Chercheur chez KIST

Réflexions finales: prochaines étapes pour la technologie d’implant à ultrasons

Les dispositifs médicaux pouvant être rechargés sans fil constitueraient une amélioration considérable pour des millions de patients à l’échelle mondiale.

Cela éliminerait également la limitation des idées d’implants plus ambitieuses qui ont jusqu’à présent été contraintes par l’absence d’une source d’énergie réaliste suffisante pour accomplir la tâche. Cela pourrait inclure des implants délivrant des médicaments directement dans la circulation sanguine, surveillant des substances spécifiques, des implants neuronaux, etc.

Cette technologie d’implant pourrait être déployée rapidement, avec seulement 0,4 mm d’épaisseur, une grande flexibilité, une bonne biocompatibilité et une facilité de fabrication sans matériaux rares et exotiques.

La technologie pourrait même trouver des applications au‑delà des dispositifs médicaux, car elle pourrait être utilisée aussi facilement pour recharger des drones sous‑marins sans contact, éliminant ainsi le besoin de créer des chargeurs électriques étanches.

Investir dans la HealthTech 

Koninklijke Philips N.V.

Philips est une marque grand public d’électronique grand public bien connue (rasoirs, brosses à dents électriques), également active dans le secteur de la santé. Par exemple, elle était classée n° 1 pour le dépôt de brevets MedTech en Europe en 2022.

Elle est active dans les produits médicaux connectés, des objets portables à l’imagerie, en passant par les respirateurs ou les robots médicaux.

L’entreprise est également active dans les semi‑conducteurs (y compris la technologie maglev) et les hautes technologies/robotique/automatisation, chaque activité partageant une base technologique commune.

Source: Philips

Philips propose des objets portables pour les mesures cardiaques, respiratoires et d’activité. Ses capteurs peuvent être intégrés aux montres intelligentes, aux moniteurs de santé, aux patchs médicaux et aux traqueurs d’activité.

L’expertise de Philips en capteurs biocompatibles, semi‑conducteurs et solutions sans fil pourrait en faire un leader des implants médicaux avancés avec charge sans fil.

Pour les dispositifs médicaux, Philips privilégie une solution de partenariat, où elle développe pour des tiers leurs dispositifs médicaux IoT (Internet des objets) connectés, pleinement compatibles avec le reste des solutions Philips. Dans ce contexte, elle propose à ses clients le prototypage, le conseil réglementaire, le développement de produit de bout en bout et la production à l’échelle industrielle.

Cela fait de Philips une entreprise axée sur la technologie et un candidat probable pour intégrer rapidement les innovations aux dispositifs médicaux existants. Au total, les dispositifs Philips ont directement touché plus de 1,8 milliard de personnes.

L’entreprise souhaite créer un environnement de santé numérique entièrement intégré, où les capteurs correspondent aux dispositifs, puis utiliser plusieurs solutions de connectivité pour s’intégrer à la solution Philips HealthSuite Cloud et permettre des analyses de données approfondies.

Source: Philips

En tant que fournisseur de l’industrie MedTech, souvent fabricant pour d’autres marques, Philips n’est pas aussi visible dans le secteur que d’autres entreprises plus importantes. Cependant, elle est experte dans la conception de dispositifs électroniques haute performance et de capteurs, repoussant souvent les limites de ce qui est possible dans son créneau en santé et objets portables.

Avec l’intégration croissante des objets portables et de l’électronique médicale dans les protocoles de santé et médicaux, le segment Healthcare de Philips devrait probablement croître au sein du conglomérat.

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Référence de l’étude:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. Un récepteur à ultrasons conforme au corps pour un transfert d’énergie sans fil efficace et stable lors d’une charge percutanée profonde. Advanced Materials. Volume37, Issue19. 12 mai 2025}