Utiliser l’électricité statique pour améliorer la durabilité des implants biomédicaux

Les innovations technologiques médicales réalisées en intégrant la science et la médecine ont amélioré la qualité de vie des patients. Il convient particulièrement de noter l'émergence de dispositifs électroniques implantés dans le corps, comme dans le cœur ou le cerveau, qui permettent de mesurer et de réguler en temps réel les signaux physiologiques, présentant ainsi de nouvelles solutions pour des maladies difficiles comme la maladie de Parkinson. Cependant, des contraintes techniques ont freiné l'utilisation semi-permanente des appareils électroniques après leur implantation.

Une équipe de recherche collaborative dirigée par le professeur Sung-Min Park des départements de génie informatique de convergence, de génie mécanique et de génie électrique, et de l'École de biosciences interdisciplinaires et de bio-ingénierie de POSTECH, a réalisé un développement révolutionnaire. Ils ont créé des matériaux électrostatiques qui fonctionnent même avec des ultrasons extrêmement faibles, annonçant l'ère des dispositifs électroniques implantables permanents en biomédecine.

La recherche a été publiée dans la revue Matériaux avancés.

Les patients porteurs de dispositifs implantés doivent subir des interventions chirurgicales périodiques pour remplacer la pile. Ce processus comporte un risque important de complications et impose un fardeau à la fois économique et physique aux patients.

Des recherches récentes explorent les dispositifs médicaux implantables fonctionnant sans fil, mais trouver une source d'énergie sûre et des matériaux de protection reste un défi. Actuellement, le titane (Ti) est utilisé en raison de sa biocompatibilité et de sa durabilité. Cependant, les ondes radio ne peuvent pas traverser ce métal, ce qui nécessite une antenne distincte pour la transmission d'énergie sans fil. Par conséquent, cela agrandit la taille du dispositif, créant ainsi davantage d’inconfort pour les patients.

L’équipe de recherche aborde ce problème en optant pour les ultrasons, une méthode de sécurité validée dans divers domaines médicaux pour les diagnostics et les traitements, au lieu des ondes radio.

Ils ont développé un matériau électrostatique capable de répondre aux ultrasons faibles en utilisant un composite de polymères hautement diélectriques (P (VDF-TrFE)) et un matériau céramique à constante diélectrique élevée connu sous le nom de titanate de cuivre et de calcium (CCTO, CaCu₃Ti₄Ô₁₂). Ce matériau génère de l'électricité statique par friction entre ses couches de matériau, produisant une énergie électrique efficace, et possède une impédance de sortie extrêmement faible, facilitant une transmission efficace de l'électricité générée.

Grâce à cette technologie, l’équipe de recherche a créé un stimulateur neurologique implantable alimenté par une transmission d’énergie par ultrasons, éliminant ainsi le besoin de piles. Cela a été confirmé par une validation expérimentale.

Lors d'essais sur des modèles animaux, le dispositif a été activé même à des niveaux d'ultrasons d'imagerie standard (500 mW/cm²), imposant une contrainte minimale au corps humain. De plus, il atténue efficacement les symptômes liés à une miction anormale causée par des troubles de la vessie hyperactive grâce à la stimulation nerveuse.

Le professeur Sung-Min Park a déclaré : « Nous avons relevé les défis dans le domaine des dispositifs médicaux implantables en utilisant une technologie de transmission d'énergie basée sur les ultrasons qui est inoffensive pour le corps humain. Cette recherche constitue un exemple d'introduction d'une technologie matérielle avancée dans les dispositifs médicaux. et nous prévoyons que cela favorisera l’émergence d’une industrie médicale de nouvelle génération, notamment le traitement de maladies incurables à l’aide de dispositifs implantables.

« Les dispositifs fabriqués à partir de matériaux hautement biocompatibles présentent une excellente stabilité mécanique et chimique, ce qui les rend adaptés au traitement de diverses maladies nécessitant un traitement à long terme. Les composants miniaturisés sans batterie et dotés d'une stabilité à long terme établie devraient apporter de nouvelles innovations sur le marché. de dispositifs médicaux insérables par l'homme.

Les autres membres de l'équipe comprennent Jiho Lee, inscrit au MS/Ph.D. programme, le professeur Sang-Woo Kim du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Yonsei, le Dr Young-Jun Kim et MS/Ph.D. Joon-Ha Hwang, étudiant de l'Université Sungkyunkwan.