Des chercheurs ont mis au point une antenne sans fil injectable, de la taille d’un grain de sable, capable d’alimenter des implants médicaux profonds tels que les stimulateurs cardiaques et les neuromodulateurs. Contrôlée à l’aide de champs magnétiques, elle convertit la déformation d’un film magnétique couplé à un film piézoélectrique en charge électrique. Cette miniaturisation marque une avancée importante dans le domaine des implants tissulaires profonds, en réduisant de manière significative l’invasivité des interventions.
Les implants tissulaires profonds, comme les implants cérébraux, ont permis d’explorer une large gamme de thérapies. Ils offrent la possibilité de stimuler des régions cérébrales précises et de collecter des données issues de ces zones. En générant des stimulations ciblées, ils modulent directement l’activité de certaines régions du cerveau, un atout majeur dans le traitement des maladies neurologiques telles que la maladie de Parkinson.
Cependant, ces dispositifs reposent le plus souvent sur des systèmes filaires, susceptibles d’endommager les tissus avoisinants ou d’entraîner des pertes de signal. Les implants sans fil sont apparus comme une alternative plus sûre, mais leur alimentation demeure un défi. Aujourd’hui, ils sont alimentés soit par une batterie de plusieurs centimètres, implantée chirurgicalement et devant être remplacée périodiquement, soit par une bobine magnétique de taille comparable transmettant l’énergie sans fil.
La miniaturisation des batteries reste toutefois un obstacle majeur. Les implants fonctionnent à haute fréquence, ce qui peut provoquer un échauffement des tissus. Si les batteries sont trop petites — moins d’un millimètre, par exemple — la quantité d’énergie disponible devient insuffisante. « Au-delà de cette limite, on commence à endommager les cellules », explique au MIT News Baju Joy, doctorant au sein du groupe de recherche Nano-Cybernetic Biotrek du Media Lab, du Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Joy et ses collègues entendent surmonter ces limites grâce à une antenne ultra-miniaturisée permettant aux implants de fonctionner sans batterie. « Il s’agit d’une avancée importante dans la miniaturisation des implants tissulaires profonds », précise le chercheur. « Cette technologie permet de créer des implants dépourvus de batterie, insérables à l’aide d’une simple aiguille plutôt que d’une intervention chirurgicale lourde », ajoute-t-il.
Des vibrations mécaniques converties en champ électrique
Mesurant 200 micromètres de diamètre, la nouvelle antenne s’appuie sur un demi-siècle de recherches dédiées à la miniaturisation des transistors et d’autres composants électroniques. Elle fonctionne à basse fréquence — de l’ordre de 10⁵ Hz (environ 100 kHz) — au moyen d’un microsystème magnétique intégré à un réseau piézoélectrique. Lorsqu’un champ magnétique alternatif est appliqué, le film se déforme de la même manière qu’une fine plaque métallique le ferait à proximité d’un aimant. Cette contrainte mécanique est ensuite convertie en charge électrique par le réseau piézoélectrique.
« Nous exploitons cette vibration mécanique pour transformer le champ magnétique en champ électrique », détaille Joy. La couche piézoélectrique comporte des électrodes qui transmettent la charge résultante à l’implant. Selon les chercheurs, l’antenne est fabriquée selon les procédés employés pour les puces électroniques et pourrait être aisément intégrée aux systèmes microélectromécaniques existants.
La minuscule antenne magnétoélectrique injectable, implantée profondément dans le cerveau, peut être alimentée par des champs magnétiques externes de basse fréquence. © Baju Joy/MITLe champ magnétique est produit à l’aide d’un dispositif comparable à un chargeur de téléphone sans fil, qui pourrait être fixé sur la peau sous la forme d’un patch adhésif. Il pourrait également être glissé dans une poche, près de la surface cutanée et de la zone où l’implant a été inséré.
« Ces composants électroniques et ces électrodes peuvent être facilement miniaturisés par rapport à l’antenne elle-même, et intégrés à celle-ci lors de la nanofabrication », poursuit l’expert. « Les autres éléments peuvent être minuscules, et l’ensemble du système peut être mis en place par injection à l’aide d’une aiguille », ajoute-t-il. Selon l’équipe, l’antenne délivre une puissance électrique de quatre à cinq ordres de grandeur supérieure à celle des antennes de taille similaire utilisant des bobines métalliques.
Un large potentiel d’application
Les chercheurs estiment que la fabrication de l’antenne pourrait être relativement facilement industrialisée, ses composants reposant sur des technologies électroniques déjà disponibles. Plusieurs antennes et implants pourraient ainsi être injectés en différents points du corps pour élargir les zones de traitement ou cibler des affections variées.
Outre la neurostimulation et la cardiostimulation, l’antenne pourrait servir à la détection en temps réel du glucose dans l’organisme. Si des capteurs optiques sont déjà employés à cette fin, ces systèmes pourraient être optimisés grâce à une alimentation sans fil, plus compacte et moins invasive.
« Ce n’est qu’un exemple », souligne Joy. « Nous pouvons combiner d’autres techniques, développées à partir des mêmes procédés de fabrication, et les intégrer aisément à l’antenne », conclut-il. Les résultats de cette recherche sont publiés dans la revue IEEE Transactions on Antennas and Propagation.