Un implant un peu plus gros qu’un grain de riz, mis en place délicatement le long d’un vaisseau sanguin stratégiquement placé, pourrait remplacer des dispositifs beaucoup plus volumineux qui stimulent les nerfs.
Les ingénieurs de l’Université Rice, en collaboration avec de nombreuses institutions du Texas Medical Center, ont publié les premiers résultats de preuve de concept d’un programme de plusieurs années visant à développer de minuscules dispositifs sans fil capables de traiter des maladies neurologiques ou de bloquer la douleur. Les stimulateurs nerveux ne nécessitent pas de piles et tirent à la fois leur puissance et leur programmation d’un émetteur magnétique de faible puissance à l’extérieur du corps.
Le MagnetoElectric Bio ImplanT – alias ME-BIT – est placé chirurgicalement et une électrode est introduite dans un vaisseau sanguin vers le nerf ciblé pour la stimulation. Une fois sur place, l’appareil peut être alimenté et contrôlé en toute sécurité avec un émetteur en champ proche porté près du corps.
L’équipe dirigée par Jacob Robinson et Kaiyuan Yang de la Rice Neuroengineering Initiative et de la George R. Brown School of Engineering et Sunil Sheth de la McGovern Medical School de l’Université du Texas Health Science Center a testé avec succès sa technologie sur des modèles animaux et a découvert qu’elle pouvait charger et communiquer avec les implants à plusieurs centimètres sous la peau.
L’implant détaillé dans Nature Génie biomédical pourrait remplacer les unités plus invasives qui traitent maintenant la maladie de Parkinson, l’épilepsie, la douleur chronique, la perte auditive et la paralysie.
« Parce que les appareils sont si petits, nous pouvons utiliser les vaisseaux sanguins comme un système d’autoroute pour atteindre des cibles difficiles à atteindre avec la chirurgie traditionnelle », a déclaré Robinson. « Nous les livrons en utilisant les mêmes cathéters que vous utiliseriez pour une procédure endovasculaire, mais nous laisserions l’appareil à l’extérieur du vaisseau et placerions un fil de guidage dans la circulation sanguine comme électrode de stimulation, qui pourrait être maintenue en place avec un stent. »
La possibilité d’alimenter les implants avec des matériaux magnétoélectriques élimine le besoin de fils électriques à travers la peau et d’autres tissus. Les sondes comme celles souvent utilisées pour les stimulateurs cardiaques peuvent provoquer une inflammation et doivent parfois être remplacées. Les implants alimentés par batterie peuvent également nécessiter une intervention chirurgicale supplémentaire pour remplacer les batteries.
Le chargeur portable de ME-BIT ne nécessite aucune intervention chirurgicale. Les chercheurs ont montré qu’il pouvait même être désaligné de plusieurs centimètres tout en étant suffisamment alimenté et en communication avec l’implant.
L’implant programmable de 0,8 millimètre carré intègre une bande de film magnétoélectrique qui convertit l’énergie magnétique en énergie électrique. Un condensateur embarqué peut stocker une partie de cette puissance, et un microprocesseur « système sur puce » traduit les modulations du champ magnétique en données. Les composants sont maintenus ensemble par une capsule imprimée en 3D et en outre enfermés dans de l’époxy.
Les chercheurs ont déclaré que le champ magnétique généré par l’émetteur – environ 1 milliTesla – est facilement toléré par les tissus. Ils ont estimé que l’implant actuel peut générer un maximum de 4 milliwatts de puissance, suffisant pour de nombreuses applications de stimulation neurale.
« L’une des bonnes choses est que tous les nerfs de notre corps ont besoin d’oxygène et de nutriments, ce qui signifie qu’il y a un vaisseau sanguin à quelques centaines de microns de tous les nerfs », a déclaré Robinson. « C’est juste une question de tracer les bons vaisseaux sanguins pour atteindre les cibles.
« Avec une combinaison d’imagerie et d’anatomie, nous pouvons être assez confiants quant à l’endroit où nous plaçons les électrodes », a-t-il déclaré.
La recherche suggère que la bioélectronique endovasculaire comme ME-BIT pourrait conduire à un large éventail de thérapies à faible risque et très précises. La présence d’électrodes dans la circulation sanguine pourrait également permettre la détection en temps réel des niveaux biochimiques, de pH et d’oxygène dans le sang pour fournir des diagnostics ou prendre en charge d’autres dispositifs médicaux.
Robinson a déclaré que l’équipe espère finalement utiliser plusieurs implants et communiquer avec eux simultanément. « De cette façon, nous pourrions avoir un réseau distribué sur plusieurs sites », a-t-il déclaré. « D’autres choses que nous cherchons à ajouter sont la détection, l’enregistrement et les communications par voie de retour afin que nous puissions utiliser les implants pour enregistrer et stimuler l’activité dans le cadre d’un système fermé.
Les étudiants diplômés Joshua Chen et Zhanghao Yu de Rice et Peter Kan, professeur et président du département de neurochirurgie de la branche médicale de l’Université du Texas à Galveston, sont co-auteurs principaux de l’article. Les co-auteurs incluent les étudiants diplômés Fatima Alrashdan et CS Edwin Lai, le spécialiste des services de laboratoire Ben Avants et la chercheuse postdoctorale Amanda Singer, tous de Rice ; Jeffrey Hartgerink, professeur de chimie et de bioingénierie à Rice ; le chercheur Roberto Garcia de la branche médicale de l’UT et l’associée de recherche Ariadna Robledo ; Michelle Felicella, professeure agrégée de neuropathologie, de pathologie chirurgicale et d’autopsie à la branche médicale de l’UT ; et Scott Crosby de Neuromonitoring Associates.
Robinson est professeur agrégé de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie. Yang est professeur adjoint de génie électrique et informatique. Sheth est professeur agrégé et directeur du programme de neurologie vasculaire à la McGovern Medical School.
Les National Institutes of Health (U18EB029353, R01DE021798) et la National Science Foundation ont soutenu la recherche.
