Une nouvelle recherche sur les batteries rechargeables sans fil vise à réduire les risques chirurgicaux

Illustration en rendu 3D d'un homme avec un stimulateur cardiaque. Crédit : Adobe Stock. Tous les droits sont réservés.

5 juin 2023

Par Jennifer Matthews

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie - Des chercheurs de Penn State conçoivent une nouvelle batterie rechargeable sans fil pour l'électronique biomédicale, comme les stimulateurs cardiaques, qui leur permettra d'être chargées et gérées sans recourir à une chirurgie invasive.

"Nous voulons optimiser la conception de la batterie et des matériaux et associer cela à la recharge sans fil", a déclaré Feifei Shi, professeur adjoint d'ingénierie énergétique au département d'ingénierie énergétique et minérale de la famille John et Willie Leone à Penn State. "Actuellement, nous sommes limités à la recharge par câble, et la recharge sans fil est définitivement l'avenir."

Les dispositifs biomédicaux recréent des fonctions physiologiques dans le corps humain qui soulagent la douleur chronique et améliorent considérablement la qualité de vie, et les dernières décennies ont vu une croissance phénoménale de l'électronique et de la technologie sans fil qui défendent cette cause. Cependant, un défi restant pour les dispositifs médicaux est l'alimentation électrique. La majeure partie de la plupart des appareils électroniques implantables est alimentée par des batteries primaires qui ont une durée de vie limitée et doivent être chargées à l'aide de câbles. Avec la longévité humaine à un niveau record, les scientifiques ont besoin d'une alternative plus durable et plus fiable aux batteries au lithium-iode actuellement utilisées.

"Il y a dix ans, ce n'était pas le problème", a déclaré Shi. "Mais de nos jours, les remplacements de batterie sont beaucoup plus fréquents car les gens vivent plus longtemps."

Le premier stimulateur cardiaque implanté utilisait une batterie rechargeable au nickel-cadmium. Des batteries zinc-mercure ont ensuite été développées, qui ont duré plus de deux ans. Mais rien n'a été aussi performant que la pile au lithium-iode, inventée en 1972. Ces piles durent jusqu'à 10 ans et sont la référence pour de nombreux fabricants de stimulateurs cardiaques. Des problèmes surgissent, cependant, lorsque les gens survivent à leurs batteries de stimulateur cardiaque, parfois de plusieurs décennies. Les chirurgies de remplacement de la batterie, bien que relativement sûres, ne sont pas sans risques, surtout à un âge avancé. Ces risques comprennent l'infection, les caillots sanguins, les dommages aux vaisseaux sanguins ou aux nerfs, l'effondrement des poumons et la perforation cardiaque.

Pour aider à résoudre ce problème, Shi a reçu une subvention de 150 000 $ de Johnson & Johnson pour un projet de trois ans visant à développer une batterie rechargeable pouvant être chargée sans fil. Le résultat sera une batterie haute capacité rechargeable à distance, la première du genre, dans le corps humain. Ce nouveau système de batterie rechargeable a le potentiel d'éliminer le risque d'infection et d'autres complications associées à la chirurgie et de fournir une alimentation électrique plus stable et durable pour permettre l'intégration d'un plus grand nombre de capteurs de diagnostic de santé dans les dispositifs médicaux mis en œuvre. En cas de succès, a déclaré Shi, elle pense que ce projet sauvera des vies, minimisera la souffrance, réduira les coûts et déclenchera la prochaine révolution dans les dispositifs médicaux implémentables.

La première étape consistera à adopter une méthode de recharge sans fil non commerciale existante qui est biosécuritaire et peut pénétrer les tissus musculaires, rendant possible la recharge dans le corps. Pour ce faire, ils effectueront des tests à petite échelle sur certains prototypes afin de trouver la chimie optimale pour ce type de batterie.

"Les recherches antérieures démontrent généralement la charge sans fil sur une ampoule ou un condensateur, elles ne démontrent jamais qu'elles peuvent charger une batterie", a déclaré Shi. "Il y a une différence entre allumer une ampoule et un vrai test d'utilisation et de vieillissement."

La deuxième tâche sera l'optimisation structurelle. L'appareil devra être minuscule et le récepteur devra être intégré, ce qui est un nouveau concept, a expliqué Shi.

"Je veux penser à la batterie dans son ensemble et penser à chaque composant de celle-ci, il ne s'agit pas seulement des performances de la batterie", a déclaré Shi. "On part de zéro, il n'y a rien de tel qui existe, donc on a beaucoup de liberté. C'est bien parce que si on travaillait sur une technologie existante, on n'a pas trop d'espace pour jouer. Cela nous donne plus d'opportunités d'inventer quelque chose de nouveau, quelque chose de plus utile pour la société."

Les plus grands défis seront la sécurité et la durée de vie de la batterie, a déclaré Shi. Idéalement, dit-elle, elle espère développer quelque chose qui a une durée de vie de 20 ou 30 ans et qui est sans danger pour le corps humain.

"Si vous avez une voiture qui prend feu, vous pouvez vous enfuir", a déclaré Shi. "Mais si vous avez quelque chose à l'intérieur de votre corps qui n'est pas du tout accessible, il doit être fiable, donc la sécurité est la priorité la plus élevée et la plus complexe."

Shi a déclaré qu'elle espère que ses antécédents et son expérience dans le développement de batteries, ainsi que ses efforts de collaboration croisée avec d'autres chercheurs, lui permettront de fabriquer une batterie qui redéfinit la technologie des batteries biomédicales.

"Du point de vue de la batterie et de la charge sans fil, mon objectif ultime est de personnaliser une meilleure batterie capable de s'adapter à la charge sans fil dans le corps", a déclaré Shi. "Mon domaine de recherche n'est qu'un coin très étroit, et la santé et les dispositifs médicaux sont des domaines de recherche multidisciplinaires. Nous aurons besoin de beaucoup de personnes travaillant ensemble pour que cela devienne réalité."

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