Premier exemple de médecine électronique biorésorbable

Un implant biodégradable fournit une stimulation électrique qui accélère la régénération nerveuse

Des chercheurs de la Northwestern University et de la Washington University School of Medicine de St. Louis ont mis au point le premier exemple de médecine électronique biorésorbable : un dispositif sans fil implantable et biodégradable qui accélère la régénération nerveuse et améliore la guérison d’un nerf endommagé.

Les scientifiques ont mis au point un dispositif qui délivre des impulsions électriques régulières aux nerfs périphériques endommagés chez les rats après un processus de réparation chirurgicale, accélérant la repousse des nerfs dans les jambes et améliorant la récupération de la force et du contrôle musculaires. Le dispositif sans fil fonctionne pendant environ deux semaines avant de s’absorber naturellement dans le corps.

Les scientifiques pensent que de telles technologies transitoires pourraient un jour compléter ou remplacer les traitements pharmaceutiques destinés à diverses affections médicales chez l’homme.

Avantages et risques de la biotechnologie

Ce type de technologie, que les chercheurs appellent un «médicament électronique biorésorbable», fournit une thérapie et un traitement sur une période de temps cliniquement pertinente et directement sur l’emplacement où cela est nécessaire, réduisant ainsi les effets secondaires ou les risques associés aux implants permanents classiques.

« Ces systèmes d’ingénierie offrent une fonction thérapeutique active dans un format dosé programmable, puis disparaissent naturellement dans le corps, sans laisser de trace », a déclaré John A. Rogers, pionnier des technologies bio-intégrées et auteur principal de l’étude. « Cette approche thérapeutique permet de réfléchir à des options qui vont au-delà des médicaments et de la chimie. »

La recherche a été publiée le 8 octobre dans la revue Nature Medicine.

Bien que le dispositif n’ait pas été testé chez l’homme, les résultats de cette étude sont prometteurs comme une future option thérapeutique pour les patients souffrant de lésions nerveuses. Pour les cas nécessitant une intervention chirurgicale, la pratique habituelle consiste à administrer une stimulation électrique pendant l’opération afin de faciliter le rétablissement. Mais jusqu’à présent, les médecins n’avaient pas les moyens de fournir en permanence cette stimulation supplémentaire à différents moments du processus de récupération et de guérison.

Washington University in St. Louis, Northwestern University, National Academy of Engineering

Un dispositif biocompatible à commande magnétique

Les scientifiques qui travaillent à l’amélioration des dispositifs médicaux ont créé une nouvelle façon de fabriquer des machines de taille micro. Les machines, qui sont fabriquées à partir des matériaux biocompatibles, connus sous le nom d’hydrogel, pourraient être implantées dans le corps. Voici ce que l’ingénieur biomédical Sam Sia a dit au sujet de l’étude, les résultats ont été publiés dans la revue Science Robotics.

Quelle est l’idée derrière votre méthode de fabrication de périphérique?

Nous avons développé une méthode pour fabriquer de très petits dispositifs non à partir de silicium ou de métal, mais à base de matériaux biologiques. Ce sont les mêmes classes de matériaux trouvés dans votre corps, donc, ils sont intrinsèquement biocompatibles. Nous avons dû développer de nouvelles techniques de fabrication parce que les matériaux biologiques sont doux, et donc ils ne peuvent pas être traités de la même manière que le silicium ou le métal. Nous pouvons également déclencher leurs fonctions sans fil après l’implantation. Dans cette étude, nous utilisons le magnétisme pour déclencher des mouvements dans le microdispositif.

Quelles sont les utilisations potentielles pour ce type de microdispositif ?

À l’avenir, de tels microdispositifs implantés pourront potentiellement délivrer des médicaments [ou] réparer des organes à l’intérieur du corps, tous contrôlés sans fil. Nous développons différentes versions de l’appareil pour traiter différents problèmes médicaux.

In vivo movement of implantable MEMS device.
(A) Schematic diagram of the Geneva drive device with payloads before implantation. Geneva drive devices are fabricated with fluorescent references (red and green fluorescent beads) to aid in vivo imaging to track the movement of the gears within the device. The reservoirs are filled with AF680-dextran and FITC-dextran solutions. (B) In vivo imaging shows the implanted Geneva drive device in the dorsum of the mouse. Fluorescent references are visible postimplantation. The device is in the “off” position. The inset shows the device as imaged by the Maestro Cri Imager before implantation. (C) Fluorescent images show operation of the Geneva drive device in an in vivo environment, including the position of the references within the device and hence the state of the device after each actuation. The animal protocol for this study was approved by the Institutional Animal Care and Use Committee of Columbia University.

Résumé

Les microdispositifs implantables ont souvent des composants statiques plutôt que des pièces en mouvement et présentent une biocompatibilité limitée. Cet article montre une méthode de fabrication rapide qui peut produire des caractéristiques de matériaux biocompatibles jusqu’à des dizaines de micromètres d’échelle, avec des motifs complexes et composites dans chaque couche. En exploitant les propriétés mécaniques uniques des hydrogels, nous avons mis au point un «mécanisme de verrouillage» pour l’actionnement et le déplacement précis des pièces mobiles, qui peuvent fournir des fonctions telles que les vannes, les collecteurs, les rotors, les pompes et la livraison de charges utiles. Les composants hydrogels peuvent être réglés dans un large éventail de propriétés mécaniques et diffusives et peuvent être contrôlés après l’implantation sans alimentation prolongée. Dans un modèle de souris d’ostéosarcome (un cancer des os – la plus fréquente des tumeurs malignes prenant naissance dans l’os), le déclenchement de la libération de doxorubicine de l’appareil pendant 10 jours a montré une efficacité de traitement élevée et une toxicité faible, à 1/10 de la dose de chimiothérapie systémique standard. Globalement, cette plate-forme, appelée systèmes microélectromécaniques implantables ou iMEMS (des micromachines implantables  (implantable MEMS)), permet le développement de microdispositifs implantables biocompatibles avec une large gamme de composants mobiles mouvants qui peuvent être contrôlés sans fil à la demande, de manière à résoudre les problèmes d’alimentation et de biocompatibilité des appareils.

Science Robotics  04 Jan 2017:
Vol. 2, Issue 2,
DOI: 10.1126/scirobotics.aah6451

Un implant de la taille d’un grain de poussière pourrait surveiller des nerfs en temps réel

Neural dust
Credit: UC Berkeley

Des ingénieurs de l’Université Berkeley ont fabriqué le premier capteur sans-fil, de la taille d’un grain de poussière pouvant être implanté dans le corps humain.

Ces capteurs sans batterie pourraient être utilisés pour stimuler des nerfs et des muscles, cette technologie ouvre aussi la porte à “l’électroceutique[1]” pour traiter les troubles comme l’épilepsie, pour stimuler le système immunitaire ou bien encore diminuer les inflammations.

La soi-disant « poussière » neuronale, que l’équipe a implantée dans les muscles et les nerfs périphériques des rats, est unique du fait que des ultrasons sont utilisés pour actionner et lire les mesures. La technologie des ultrasons est déjà bien développée pour l’usage hospitalier, et les vibrations ultrasonores peuvent pénétrer presque n’importe où dans le corps, contrairement aux ondes radios, disent les chercheurs.

« Je pense que les perspectives à long terme pour les poussières de neurones ne sont pas seulement dans les nerfs et le cerveau, mais sont bien plus larges », dit Michel Maharbiz, professeur agrégé en génie électrique et sciences informatiques. « Avoir accès à la télémétrie à l’intérieur du corps n’a jamais été possible parce qu’il n’y avait aucun moyen d’insérer quelque chose d’extrêmement petit très profondément [dans le corps]. Mais je peux maintenant prendre un grain de rien du tout et le placer à côté d’un nerf ou d’un organe, dans votre appareil digestif ou un muscle, et lire les données télémétriques [qui en ressortent]. »

Les capteurs, que les chercheurs ont déjà miniaturisé à 1 millimètre cube – environ la taille d’un gros grain de sable – contiennent un cristal piézoélectrique qui convertit les vibrations ultrasons venant de l’extérieur du corps en électricité pour alimenter le capteur intégré, qui est en contact avec une fibre nerveuse ou musculaire. Une pointe de tension dans la fibre modifie le circuit et la vibration du cristal, qui change l’écho détecté par le récepteur d’ultrasons, typiquement le même dispositif qui génère des vibrations. Le léger changement, appelé rétrodiffusion (backscatter en anglais), leur permet de déterminer le voltage (la tension).

Tel que rapporté dans la revue Neuron, les chercheurs ont mis sous tension les capteurs passifs toutes les 100 microsecondes avec six pulsions ultrasonores de 540 nanosecondes, ce qui leur a donné une lecture continue en temps réel. Ils ont recouvert la première génération de nœud capteur (dit “mote” en anglais) – 3 millimètres de long, 1 millimètre de haut, et 4/5 millimètres de large – avec de l’époxy chirurgicale, mais ils sont actuellement en train de fabriquer des nœuds capteurs à partir de fines couches biocompatibles qui pourraient durer à l’intérieur du corps sans dégradation pendant une décennie ou plus.

Tandis que les expériences à ce jour ont porté sur le système nerveux et les muscles périphériques, les grains de poussière neuronaux pourraient fonctionner aussi bien dans le système nerveux central et le cerveau pour contrôler des prothèses. Les électrodes implantables d’aujourd’hui se dégradent en une ou deux années, et se connectent toutes via des fils passant à travers des trous dans le crâne. Les capteurs sans-fil – de plusieurs douzaines à une centaine – pourraient être scellés à l’intérieur, évitant ainsi les infections et les mouvements incontrôlés des électrodes.

« Le but originel du projet de poussière neuronale (the neural dust project) était d’imaginer la prochaine génération d’interfaces cerveau-machine, et d’en faire une technologie clinique viable », dit l’étudiant diplômé de neuroscience Ryan Neely. « Si un paraplégique veut contrôler un ordinateur ou un bras robotisé, vous n’auriez qu’à implanter cette électrode dans le cerveau et elle durerait toute une vie. »

Neural Dust System Overview
(A) An external transducer powers and communicates with a neural dust mote placed remotely in the body. Driven by a custom transceiver board, the transducer alternates between transmitting a series of pulses that power the device and listening for reflected pulses that are modulated by electrophysiological signals.
(B) A neural dust mote anchored to the sciatic nerve in an anesthetized rat. Inset shows neural dust mote with optional testing leads.
(C) Components of a neural dust mote. The devices were assembled on a flexible PCB and consist of a piezoelectric crystal, a single custom transistor, and a pair of recording electrodes.
(D) The transceiver board consisted of Opal Kelly FPGA board, application-specific integrated circuit (ASIC) board (Seo et al., 2015, Tang et al., 2015), and the transducer connector board.

De plus en plus petit

Dans un précédent article publié en 2013, les chercheurs estimaient qu’ils pourraient miniaturiser les capteurs d’un cube de 50 microns de chaque côté – environ 2/1000 millième d’un pouce, soit la moitié de la largeur d’un cheveu humain. À cette taille, les nœuds capteurs pourraient nicher à seulement quelques axones des nerfs et enregistrer en continu leur activité électrique.

« Les capteurs sont assez petits pour avoir une bonne application dans le système nerveux périphérique, pour le contrôle de la vessie ou la suppression de l’appétit, par exemple », explique le co-auteur Jose Carmena, professeur en génie électrique et sciences informatiques. « La technologie n’est pas encore tout à fait là pour arriver à la taille visée de 50 microns, dont nous aurions besoin pour le cerveau et le système nerveux central. Une fois que cela sera cliniquement prouvé, la poussière neuronale remplacera les électrodes filaires. À ce moment, une fois que vous fermez le cerveau, vous avez fini. »

L’équipe travaille maintenant à miniaturiser davantage le dispositif, trouver des matériaux biocompatibles, et à améliorer l’émetteur-récepteur de surface qui envoie et reçoit les ultrasons, idéalement en utilisant la technologie d’orientation (de balayage) de faisceaux pour focaliser les ondes sonores sur des nœuds capteurs individuels. Ils sont en train de construire de petits sacs à dos pour les rats pour maintenir l’émetteur-récepteur à ultrasons qui enregistre les données des nœuds capteurs implantés.

Pourquoi des ultrasons ?

Ils travaillent également à élargir la capacité des nœuds capteurs à détecter des signaux non-électriques, tels que les niveaux d’oxygène ou le taux d’hormones.

« Le plan est d’implanter ces grains de poussière neuronaux (neural dust motes) partout dans le corps, et d’avoir un patch sur l’emplacement implanté envoyant des ondes par ultrasons pour réveiller et recevoir les informations nécessaires en provenance des nœuds capteurs pour le traitement souhaité que vous voulez », dit Dongjin Seo, un étudiant diplômé en ingénierie électrique et sciences informatiques. « Finalement vous pouvez utiliser plusieurs implants et un seul patch qui cingleraient (that would ping) chaque implant individuellement, ou tous en même temps ».

Les chercheurs ont conçu l’idée de poussière neuronale il y a environ cinq ans, mais les tentatives pour alimenter un dispositif implantable et lire les données en utilisant des ondes radio ont été décevantes. [Les ondes] radio s’atténuent très vite avec la distance dans les tissus, de sorte que communiquer avec des dispositifs profonds dans le corps serait difficile sans utiliser le rayonnement à haute intensité potentiellement dangereuse.

Marharbiz a eu l’idée des ultrasons, et publie en 2013 un document décrivant comment un tel système pourrait fonctionner. « Notre première étude a démontré que la physique fondamentale des ultrasons permettait l’utilisation de très petits implants qui pourraient enregistrer et communiquer les données neuronales », dit Maharbiz. Lui et ses étudiants ont aujourd’hui créé ce système.

« L’ultrason est beaucoup plus efficace quand vous avez des dispositifs qui sont à l’échelle millimétrique ou plus petits et qui sont incorporés profondément dans le corps », dit Seo. « Vous pouvez obtenir beaucoup de puissance et transférer beaucoup plus efficacement de l’énergie et de la communication en utilisant les ultrasons, par opposition aux ondes électromagnétiques, ce qui a été la méthode d’utilisation de transfert d’énergie sans fil dans des implants miniatures. »

« Maintenant que vous avez un capteur neuronal fiable, peu invasif dans le corps, la technologie pourrait devenir le conducteur pour toute une gamme d’applications, des choses qui aujourd’hui n’existent même pas », dit Carmena.

La Defense Advanced Research Projects Agency of the Department of Defense (DARPA) a soutenu les travaux.

via Futurity, Source: UC Berkeley

Original Study DOI: 10.1016/j.neuron.2016.06.034

Traduction Thomas Jousse

Note :

[1] Stimulation non invasive du nerf vague (nVNS) pour le traitement de plusieurs troubles des domaines neurologique, psychiatrique, gastro-entérologique et autres.

L’électroceutique ou bioélectronique qui allie biologie, informatique, science des matériaux et nanotechnologie en liaison avec le réseau électrique naturel du corps. En y ajoutant la science du cerveau et de l’intelligence artificielle, on touche à la cognitique pour créer les NBIC. On en vient à modéliser le vivant au milliardième de mètres, et Glaxo-Smith-Kline (GSK) est leader en ce domaine. On prévoit des nano circuits réparateurs, auto dissolvants à la chaleur du corps, une fois leur mission achevée. Les recherches sont concentrées actuellement sur l’asthme, puis le diabète. Concrètement, il s’agit d’un « dispositif sans fil implantable qui permettrait d’enregistrer, de stimuler et de bloquer les signaux neuronaux sur un seul organe » selon Stéphane MARCHAND, Rédacteur en chef de ParisTechReview.

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Des implants cérébraux conçus pour fondre et ne laisser aucune trace

Des chercheurs américains et chinois, de l’Université de Pennsylvanie, ont mis au point plusieurs technologies bio dissolubles, des implants médicaux non-invasifs qui peuvent être absorbés par l’organisme.

Illustration of the construction of a bioresorbable neural electrode array for ECoG and subdermal EEG measurements. A photolithographically patterned, n-doped silicon nanomaterial (300 nm thick) is used for electrodes and interconnects. A 100 nm thick film of silicon dioxide and a foil of PLGA (30 nm thick) serve as a bioresorbable encapsulating layer and substrate, respectively. The device connects to an external data acquisition system through a conductive film interfaced to the Si nm interconnects at contact pads at the edge. (credit: Ki Jun Yu et al./Nature Materials))

Ils ont créé des capteurs, constitués de couches de molybdène et de silicium, qui peuvent surveiller les signaux du cerveau puis fondre à distance sans laisser de trace.

La recherche a été publiée en ligne dans la revue Nature et représente une grande avancée dans la technologie des biocapteurs, car elle offre une résolution égale ou supérieure pour mesurer l’activité électrique du cerveau, par rapport à des électrodes classiques, tout en éliminant « les risques, les coûts et l’inconfort associés à la chirurgie pour extraire les dispositifs actuels utilisés pour le suivi post-opératoire », selon le chercheur principal Brian Litt, professeur de neurologie, neurochirurgie et bio-ingénierie à l’École de Médecine de Perelman.

Les appareils seront particulièrement utiles pour la cartographie de la neurophysiologie et les modèles neuronaux de certains troubles mentaux et neurologiques — par exemple, la maladie de Parkinson, la dépression et l’épilepsie. D’autres applications utiles comprendront le suivi post-opératoire, et le placement de dispositifs impliqués dans la chirurgie cardiaque et neuronale.

La recherche a été financée par la DARPA entre autres.


Surveiller le cerveau avec un implant soluble


Dans les recherches connexes, les scientifiques chinois ont créé un dispositif bio dissolubleun « Memristor », (résistance de mémoire), composé de protéines d’albumines (blanc d’œuf) laquées sur un film de silicone, avec des électrodes de magnésium et de tungstène. Leur recherche a été publiée dans la revue ACS Applied Materials and Sciences.

Des tests ont montré que la performance de l’appareil est comparable aux autres memristors plus conventionnels et peut stocker des informations sur 10 000 secondes sans subir de détérioration. La puce peut fonctionner pendant trois mois dans des conditions sèches et dans des conditions humides, les albumines et les électrodes se décomposent en 2 à 10 heures. Les matières restantes se dissolvent après environ trois jours, laissant des traces insignifiantes.

La recherche a été financée par le National Natural Science Foundation of China.

Source : Kurzweil News

Surveiller le cerveau avec un implant soluble

Implanté dans la boîte crânienne, ce capteur miniature surveille la pression et la température d’un patient après une lésion ou une intervention chirurgicale. Fabriqué à partir de matériaux biocompatibles et résorbables, il se dissout au bout de quatre à cinq semaines. © John A. Rogers, University of Illinois at Urbana-Champaign

Plus petit qu’un grain de riz, un capteur pourrait, après un acte chirurgical, mesurer la pression intracrânienne et la température avant de se dissoudre, évitant ainsi le recours à une seconde intervention pour le retirer. Et les chercheurs à l’origine de cette innovation assurent qu’ils peuvent reconvertir cette technologie pour d’autres organes.

Une équipe nord-américaine spécialisée dans les matériaux biocompatibles et la neurochirurgie a mis au point un implant cérébral susceptible de surveiller plusieurs constantes avant de se dissoudre au bout de quelques semaines. Lorsqu’une personne subit une lésion cérébrale ou une chirurgie du cerveau, il est indispensable de surveiller la pression intracrânienne. Or, d’après ces chercheurs, les équipements actuels, qui utilisent des fils percutanés, sont non seulement invasifs mais ils présentent aussi des risques de réactions allergiques, d’infection voire d’hémorragie.

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Journal scientifique Nature