2 façons dont les moteurs médicaux miniaturisés sauvent des vies

La loi de Moore a été le principal moteur de la miniaturisation de l’électronique. La science des matériaux et les techniques avancées de fabrication de semi-conducteurs ont joué un rôle important dans le rétrécissement des moteurs et des actionneurs. Ensemble, toutes ces avancées ont conduit au développement de mini-actionneurs, miniaturisation de composants et matériaux de revêtement médical pour de nombreux types de dispositifs médicaux.

Deux domaines critiques de la miniaturisation médicale ont été dans les domaines ingérables et implantables. Considérons d’abord la technologie ingérable.

Dispositifs ingérables

Pendant de nombreuses décennies, les chercheurs ont partagé leurs avancées en matière de développement de minuscules pilules ingérables remplies de caméras, de capteurs et d’électronique qui pourraient voyager dans le tractus gastro-intestinal (GI) humain.

Parfois appelées endoscopie par capsule sans fil ingérable (WCE), ces pilules intelligentes servent de technologie de diagnostic pour inspecter l’ensemble du tractus gastro-intestinal à la recherche de diverses maladies, notamment les hémorragies internes, les tumeurs, le cancer et d’autres affections. Selon le rapport de « Markets & Markets », le secteur des pilules intelligentes devrait atteindre 3,83 milliards de dollars en 2020, pour atteindre 8,98 milliards de dollars d’ici 2024.

Les moteurs et actionneurs de haute précision rencontrent des défis uniques lorsqu’ils fonctionnent à l’intérieur d’un système biologique. Dans l’espace médical, des actionneurs sont utilisés pour déplacer des micro-optiques et ajuster des lentilles d’imagerie médicale, des lasers et d’autres composants mécaniques minuscules. D’autres applications pourraient inclure des dispersants de médicaments, des outils chirurgicaux robotiques, etc.

Les développeurs de moteurs et d’actionneurs miniaturisés sont impatients de savoir si leurs appareils pourraient fonctionner à l’intérieur d’une minuscule pilule ingérable pour collecter des échantillons lorsque la capsule se déplace dans le tractus gastro-intestinal ou pour aider à distribuer des médicaments au bon moment et au bon endroit dans le corps.

D’autres applications potentielles incluent l’utilisation de micro-actionneurs pour faire tourner un miroir afin de fournir une vue à 360 degrés pour les caméras lorsque la pilule traverse le tractus gastro-intestinal, fournissant les informations sous forme de caméra ou agissant comme une tomographie par cohérence optique (OCT).

Mais l’une des applications de la pilule à micro-actionneur au niveau de la recherche a-t-elle été introduite dans l’espace commercial, par exemple, pour l’endoscopie par pilule ? Si oui, utilisez-vous des actionneurs ?

Après quelques discussions, il s’est avéré que les micro-actionneurs et les moteurs existants n’étaient pas seulement des versions réduites de moteurs plus gros, mais plutôt basés sur des principes piézoélectriques qui utilisent des vibrations ultrasonores pour le mouvement. Ces minuscules appareils – certains aussi petits qu’un grain de riz – sont basés sur le contrôle des vibrations au-dessus du son audible, c’est-à-dire 20K Hertz. Lorsqu’un corps vibrant touche un objet mobile, le mouvement peut être généré. Ces appareils sont généralement utilisés pour le diagnostic et les applications à l’extérieur du corps – et non à l’intérieur comme avec une pilule.

Un expert en actionneurs a expliqué qu’il s’agit de dispositifs à microsystème millimétrique à mésoéchelle destinés à des applications de micro-détection, de mouvement induit par actionneur et de fluidique. Ils ne sont pas basés sur la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS), qui était généralement conçue pour des applications à très faible consommation comme la commutation d’un miroir ou la visée d’un laser.

Pilules avec moteurs ?

Des pilules ingérables (avec ou sans actionneurs) sont-elles activement utilisées par les médecins d’aujourd’hui ? Un exemple est Pillcam de Medtronic, un fournisseur dans l’espace commercial qui fournissait la technologie depuis plusieurs années.

Un médecin doit prescrire une pilule ingérable. Après qu’un brevet ait avalé la pilule, une caméra enregistre les informations au fur et à mesure qu’elles se déplacent dans le tractus gastro-intestinal pour être consultées plus tard ou fournies sans fil en temps réel pendant l’activité.

Les versions plus récentes de la PillCam peuvent être orientables. En fait, il existe déjà des catégories d’opération pour inclure les pilules orientables. Ces catégories comprennent les appareils portables, plantables (dans l’estomac) et même passibles (à travers le corps). Dans cette dernière catégorie, seul le système digestif du patient est exposé, ce qui signifie qu’il s’agissait bien d’une sorte d’endoscopie.

Une question qui se pose est que si un micromoteur pouvait être implanté comme mécanisme de direction, serait-il capable de résister aux fluides du corps humain ? Certains experts disent « non », que les appareils micromoteurs actuels doivent être tenus à l’écart des fluides corporels, car il y aurait des pièces mécaniques en mouvement et des composants électroniques qui pourraient fuir dans le corps.

De même, toute caméra devrait être exempte de tout fluide corporel, c’est pourquoi les caméras sont encapsulées dans une pilule ingérable derrière une fenêtre. Plusieurs entreprises sont sur le marché du développement de revêtements pour encapsuler les caméras et l’électronique. Ces revêtements ont généralement une épaisseur de 5 à 20 microns et sont optiquement clairs.

Dispositifs implantables

Les systèmes d’administration de médicaments implantables permettent une administration ciblée de médicaments à des vitesses spécifiques qui peuvent minimiser les effets secondaires potentiels de la thérapie. Lorsque de tels systèmes d’administration sont vitaux pour la survie des patients, les systèmes doivent être absolument fiables. Les microdrives de haute précision sont un élément clé du système d’administration implanté.

Les patients qui souffrent de douleurs chroniques, de troubles métaboliques, de maladies du système nerveux central et de tumeurs ont besoin de médicaments dosés avec précision. Les systèmes d’administration de médicaments implantables offrent une méthode précise et fiable pour réaliser cette administration. Pour de nombreux patients, seul le système d’administration des médicaments leur permet d’avoir une vie en dehors de la clinique.

Comme leur nom l’indique, les dispositifs implantables sont insérés dans le corps humain, généralement juste sous la peau. L’emplacement est bien adapté pour délivrer un dosage précis des médicaments à des moments définis au cours de la journée.

Dans une mise en œuvre sans fil, l’unité implantable possède une interface de données RF avec le dispositif embarqué par laquelle le dosage peut être adapté à tout moment. À intervalles réguliers, le réservoir interne de médicament peut être rempli par un spécialiste. La durée de vie des implants actifs mesure de nombreuses années et n’est limitée que par la durée de vie de la batterie. Le cœur de l’implant actif est une pompe à piston, comme celles fabriquées par Maxon Medical.

Un défi de conception avec ces microdrives de système d’administration de médicaments implantables est qu’ils ne sont pas compatibles avec les moteurs ordinaires. Dans un moteur courant, un mouvement de rotation est généré et produit un couple et une vitesse de rotation. La pompe à piston alternatif génère un mouvement linéaire qui entraîne un pompage de liquide, note un article d’application Maxon. Les différentes pièces de la pompe ont des tolérances très étroites et permettent de régler le volume de la pompe avec une précision de moins d’un microlitre par course de piston.

De plus, comme les implants actifs sont en contact direct avec les tissus humains, les matériaux biocompatibles sont une exigence absolue. Par conséquent, dans la plupart des cas, le titane est utilisé pour les implants. L’usinage du titane, en particulier le soudage laser sûr et fiable, nécessite un très haut niveau d’expertise. Des méthodes de test et de qualité spéciales, telles que l’inspection de la profondeur de pénétration, de la microdureté et de la densité des cordons de soudure, sont nécessaires. L’assemblage complet du microdrive implantable a généralement lieu dans des conditions de salle blanche.