Dispositifs biomédicaux implantables – ; comme les stimulateurs cardiaques, les pompes à insuline et les neurostimulateurs – ; sont de plus en plus petits et utilisent la technologie sans fil, mais des obstacles subsistent pour alimenter les implants de nouvelle génération. Un nouveau dispositif de chargement sans fil développé par des scientifiques de Penn State pourrait améliorer considérablement la capacité d’alimentation des implants tout en restant sans danger pour notre corps, ont indiqué les chercheurs.
Le nouvel appareil peut récupérer simultanément l’énergie du champ magnétique et des sources d’ultrasons, convertissant cette énergie en électricité pour alimenter les implants, ont rapporté les scientifiques dans la revue. Sciences de l’énergie et de l’environnement. Il s’agit du premier appareil capable de récolter ces sources à double énergie simultanément avec un rendement élevé et de fonctionner dans les limites de sécurité des tissus humains, a indiqué l’équipe.
Notre appareil pourrait débloquer des applications biomédicales de nouvelle génération, car il peut générer une puissance 300 % supérieure à celle des appareils de pointe actuels. En combinant deux sources d’énergie dans un seul générateur, la puissance générée à partir d’un volume donné de l’appareil peut être considérablement améliorée, ce qui peut débloquer de nombreuses applications qui n’étaient pas possibles auparavant. »
Bed Poudel, professeur-chercheur au Département de science et d’ingénierie des matériaux de Penn State et co-auteur de l’étude
Grâce à cette technologie, les dispositifs bioélectroniques sans batterie pourraient être miniaturisés à des dimensions millimétriques, les rendant facilement implantables et permettant à des réseaux distribués de capteurs et d’actionneurs de mesurer et de manipuler l’activité physiologique dans tout le corps. Selon les scientifiques, cela permettrait des thérapies bioélectroniques précises et adaptatives avec un minimum de risques ou d’interférences avec les activités quotidiennes.
Les implants plus traditionnels comme les stimulateurs cardiaques sont généralement alimentés par des batteries et chargés à l’aide de câbles. Mais la durée de vie des batteries est limitée et une intervention chirurgicale peut être nécessaire pour les remplacer, ce qui présente un risque d’infection ou d’autres complications médicales.
Charger ou alimenter directement les implants sans fil pourrait prolonger leur durée de vie, ont déclaré les scientifiques. Mais la technologie de recharge sans fil conventionnelle utilisée pour les téléphones portables et les véhicules électriques n’est peut-être pas idéale, car les implants continuent de rétrécir.
« Le problème est qu’à mesure que vous rendez ces implants moins invasifs en les rendant de plus en plus petits, l’efficacité du chargement sans fil devient beaucoup plus faible », a déclaré Mehdi Kiani, professeur agrégé de génie électrique à Penn State et co-auteur de l’étude. « Pour résoudre ce problème, il faut augmenter la puissance. Mais le problème est que les ondes électromagnétiques à haute fréquence pourraient être nocives pour le corps. »
Selon les chercheurs, le champ magnétique et l’énergie ultrasonore fonctionnant à des fréquences plus basses sont des options intéressantes pour alimenter ou charger sans fil les implants. Les travaux antérieurs d’autres scientifiques se sont concentrés sur la création de dispositifs capables de récolter l’une de ces sources d’énergie, mais pas en même temps, ont indiqué les scientifiques. Cependant, cette approche à source unique pourrait ne pas fournir suffisamment d’énergie pour charger de futurs implants médicaux plus petits.
« Nous pouvons désormais combiner deux modalités dans un seul récepteur », a déclaré Sumanta Kumar Karan, chercheur postdoctoral au Département de science et d’ingénierie des matériaux de Penn State et auteur principal de l’article. « Cela peut dépasser n’importe quelle modalité individuelle, car nous disposons désormais de deux sources d’énergie. Nous pouvons multiplier la puissance par quatre, ce qui est vraiment significatif. »
Les appareils utilisent un processus en deux étapes pour convertir l’énergie du champ magnétique en électricité. Une couche est magnétostrictive, qui convertit un champ magnétique en contrainte, et l’autre est piézoélectrique, qui convertit une contrainte ou des vibrations en champ électrique. La combinaison permet à l’appareil de transformer un champ magnétique en courant électrique.
Et la couche piézoélectrique peut également convertir simultanément l’énergie ultrasonore en courant électrique, ont indiqué les chercheurs.
« Nous avons combiné ces sources d’énergie dans la même empreinte, et nous pouvons générer suffisamment d’énergie qui peut être utilisée pour faire les choses que les implants de prochaine génération seront appelés à faire », a déclaré Poudel. « Et nous pouvons le faire sans endommager les tissus. »
La technologie a également des implications pour alimenter des éléments tels que les réseaux de capteurs sans fil dans les bâtiments intelligents. Ces réseaux surveillent notamment l’énergie et les modèles opérationnels et utilisent ces informations pour ajuster les systèmes de contrôle à distance, ont indiqué les scientifiques.
Les autres chercheurs de Penn State qui ont contribué étaient Andrew Patterson, professeur au Département des sciences vétérinaires et biomédicales ; Anitha Vijay, technologue de recherche ; et Sujay Hosur, doctorante. Kai Wang et Rammohan Sriramdas, anciens professeurs adjoints de recherche à Penn State, et Shashank Priya, vice-président de la recherche à l’Université du Minnesota et ancien professeur à Penn State, ont également contribué.
La National Science Foundation a soutenu ce travail. Certains des chercheurs participant à cette étude ont reçu le soutien du programme DARPA MATRIX et du programme Army RIF.
