Des chercheurs construisent de minuscules puces sans fil et injectables, visibles uniquement au microscope :

Le plus petit système monopuce qui pourrait changer la donne pour les implants médicaux

Des chercheurs construisent de minuscules puces sans fil et injectables, visibles uniquement au microscope :
le plus petit système monopuce qui pourrait changer la donne pour les implants médicaux

Les implants médicaux ne datent pas d'hier et les chercheurs qui tentent chaque année de mettre au point des implants plus petits et plus efficaces sont de plus en plus nombreux. Des ingénieurs de l'université de Columbia viennent de créer une puce microscopique, sans fil et injectable qui peut être utilisée pour surveiller les processus corporels grâce à des ultrasons. Ce dispositif est censé être le plus petit système monopuce au monde, qui constitue un circuit électronique complet et fonctionnel. La puce implantable n'est visible qu'au microscope et ouvre la voie au développement de puces pouvant éventuellement être injectées dans le corps à l'aide d'une aiguille.

Les chercheurs s'intéressent aux dispositifs médicaux implantables sans fil et miniaturisés pour surveiller toute une série de conditions médicales, notamment la fièvre, l'hypertension, les constantes respiratoires et bien d’autres paramètres, en vue de procéder à des interventions. Les implants modernes ne peuvent pas être produits en grande quantité, car ils nécessitent plusieurs puces, un emballage, des fils, des transducteurs externes et des batteries pour le stockage de l'énergie. Les chercheurs de Columbia ont donc conçu un système qu'ils affirment être le plus petit système monopuce au monde, avec un "volume inférieur à 0,1 mm cube".

Le système est aussi petit qu'un acarien et n'est visible qu'au microscope. Pour y parvenir, l'équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil. L'étude a été publiée en ligne le 7 mai dans Science Advances.

« Nous voulions voir jusqu'où nous pouvions repousser les limites de la taille d'une puce fonctionnelle que nous pouvions fabriquer. Il s'agit d'une nouvelle idée de "puce en tant que système" : une puce qui, à elle seule, sans rien d'autre, constitue un système électronique complet et fonctionnel. Cela devrait être révolutionnaire pour le développement de dispositifs médicaux implantables sans fil et miniaturisés qui peuvent détecter différentes choses, être utilisés dans des applications cliniques et finalement approuvés pour un usage humain », a déclaré le responsable de l'étude, Ken Shepard, professeur d'ingénierie électrique et professeur d'ingénierie biomédicale.


L'équipe comprenait également Elisa Konofagou, professeur d'ingénierie biomédicale et professeur de radiologie, ainsi que Stephen A. Lee, doctorant dans le laboratoire de Konofagou, qui a participé aux études sur les animaux. La conception a été réalisée par le doctorant Chen Shi, qui est le premier auteur de l'étude. La conception de Chen Shi est unique par son efficacité volumétrique, c'est-à-dire la quantité de fonctions contenues dans un volume donné. Les liaisons de communication radiofréquence traditionnelles ne sont pas possibles pour un appareil aussi petit, car la longueur de l'onde électromagnétique est trop grande par rapport à la taille de l'appareil. Les longueurs d'onde des ultrasons étant beaucoup plus petites à une fréquence donnée parce que la vitesse du son est bien inférieure à celle de la lumière, l'équipe a utilisé les ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil. Ils ont fabriqué l’ « antenne » pour communiquer et s'alimenter en ultrasons directement sur la puce.

La puce, qui constitue l'intégralité de la particule implantable ou injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée par la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, des modifications supplémentaires ayant été apportées au processus dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative et dans le centre de nanofabrication de l'Advanced Science Research Center de la City University of New York. Shepard a déclaré : « Il s'agit d'un bel exemple de technologie : nous avons introduit de nouveaux matériaux dans un métal-oxyde-semiconducteur complémentaire standard pour obtenir une nouvelle fonction. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transposer l'énergie acoustique du capteur en énergie électrique ». Elisa Konofagou a aussi ajouté : « L'importance clinique des ultrasons ne cesse de croître à mesure que de nouveaux outils et techniques deviennent disponibles. Ce travail s'inscrit dans cette tendance ».

Pour l'instant, la preuve de concept de l'implant a été démontrée sur des souris vivantes, où il a été utilisé pour la neuro-stimulation par ultrasons. Au cours de l'expérience, ils ont implanté jusqu'à sept souris à la fois par injection intramusculaire à l'aide d'une seringue. L'objectif de l'équipe est de mettre au point des puces qui peuvent être injectées dans le corps à l'aide d'une aiguille hypodermique et qui communiquent ensuite avec l'extérieur du corps à l'aide d'ultrasons, fournissant des informations sur quelque chose qu'elles mesurent localement. Les dispositifs actuels mesurent la température du corps, mais l'équipe travaille sur de nombreuses autres possibilités.

Source : Science Advances

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