Vous êtes ici
Le futur des implants médicaux
Imaginez un patient tétraplégique qui tient sa tasse à café, ou un malade atteint de Parkinson qui calme lui-même ses tremblements. Ces exemples semblent relever de la science-fiction. Pourtant, les dernières avancées scientifiques en matière d’implants médicaux permettent ce type d’exploits.
La conception de ces implants relève de la bioélectronique. En plein essor lors des 10 dernières années, ce domaine « vise à connecter des systèmes électriques avec le corps humain, dans un but de thérapie ou de recherche », explique Denys Nikolayev1, chargé de recherche CNRS à l’Institut d’électronique et des technologies du numérique et auteur d’une étude2 visant à améliorer l’alimentation des implants.
Du cortex à la moelle épinière, via l’ordinateur
Depuis l’invention du pacemaker, dans les années 1950, les implants se multiplient, et leurs usages sont de plus en plus variés. En 2023, un patient paraplégique a pu remarcher3 grâce à l’implant Wimagine4, développé par les équipes du centre de recherche Clinatec au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), et permettant le contrôle cérébral d’un stimulateur de la moelle épinière développé par les équipes suisses de l’École polytechnique fédérale de Lausanne et du Centre hospitalier universitaire vaudois.
Guillaume Charvet, chef du service de recherche biomédicale en neurotechnologies du Clinatec, détaille son fonctionnement : « Un implant à la surface du cerveau enregistre l’activité électrique du cortex, qui est décodée par un ordinateur, lequel transmet des ordres à un stimulateur situé au niveau de la moelle épinière, permettant de faire bouger les jambes du patient ».
Le patient parvient donc à marcher seul avec l’aide du dispositif, mais reste dépendant de l’ordinateur contenu dans un déambulateur. Sept patients portent actuellement l’implant Wimagine dans le cadre d’essais cliniques.
D’autres zones peuvent être implantées. Par exemple, l’entreprise Neurinnov permet à des personnes tétraplégiques de contrôler leur main grâce à un implant sous la peau, au niveau du thorax, qui se prolonge par des électrodes stimulant deux nerfs à l’intérieur du bras. « Des gestes simples comme attraper une tasse ou tenir une carte bancaire deviennent alors réalisables pour ces patients qui ne contrôlent plus leurs mains », s’enthousiasme David Andreu, directeur recherche et développement de Neurinnov.
Alimentation par induction
Seulement, pour fonctionner, ces petits bijoux de technologie doivent être alimentés. Plusieurs options s’offrent aux fabricants, et le choix dépend du contexte. « Les pacemakers assurent une fonction vitale. Par conséquent, ils ne peuvent pas dépendre d’une source d’énergie externe, précise David Andreu. Ils sont donc alimentés par une pile qu’il faut changer tous les 8 à 10 ans. »
L’utilisation d’une batterie est une solution pour les implants non vitaux. Cependant, elle augmente le volume de l’implant. Celui-ci implique une chirurgie plus lourde et risque d’être moins bien toléré. La batterie devra aussi être changée au bout d’un certain nombre de cycles de charge-décharge (par exemple, 300 à 500 cycles pour des implants cochléaires5).
D’autres constructeurs proposent des implants sans batterie, alimentés en permanence par une antenne externe, sise à la surface de la peau. L’antenne alimente l’implant par induction. Un courant électrique circule dans une bobine et crée un champ magnétique, induisant alors un second courant électrique au sein de l’implant situé dans le corps. C’est le même principe que la recharge sans fil des téléphones, mais les dispositifs sont légèrement différents.
L’antenne qui transmet l’énergie doit toutefois être elle-même alimentée par une batterie, qui peut se situer avec l’antenne dans un boîtier fixé à la surface du corps. Si davantage d’énergie est nécessaire – comme pour les implants de Clinatec et Neurinnov –, l’antenne est reliée par des fils à une plus grosse batterie, logée par exemple dans la poche d’un vêtement.
Un cadre théorique pour aider les fabricants
Utiliser l’induction pour alimenter les implants « n’est facilement réalisable que lorsqu’ils sont suffisamment grands (environ 2 à 5 cm) et implantés peu profondément (idéalement, moins de 2 cm) », tempère Denys Nikolayev.
Il est l’un des auteurs d’une étude proposant un cadre théorique pour optimiser ce mode d’alimentation. Fondé sur les ondes électromagnétiques, celui-ci n’a donc besoin ni de fil ni de batterie. La tâche n’est pas simple. Les pertes sont nombreuses à travers la succession de tissus, qui ont chacun des propriétés de propagation des ondes différentes.
Plus la permittivité relativeFermerPermittivité relative Réponse (capacité à se polariser) d’un milieu, d’une matière à un champ électrique par rapport à celle du vide d’un milieu est élevée, plus la longueur d’onde est réduite et l’onde ralentie. Par exemple, pour une onde à 2,45 GHz, l’air a une permittivité relative de 1, tandis que celle de la graisse est de 5 à 6, de 48 à 50 pour le cerveau et de 52 à 55 pour le muscle selon le scientifique. Denys Nikolayev conclut « qu’il faut réaliser des compromis entre la taille de l’implant, sa profondeur, la fréquence de l’onde et le type de source pour minimiser ces pertes ».
Le chercheur et ses collègues présentent ainsi des équations qui estiment chaque type de pertes à partir des caractéristiques de l’implant. Denys Nikolayev en expose l’intérêt : « Ces équations pourront aider des fabricants de dispositifs à trouver la fréquence optimale et le type d’antenne pour leurs implants, en se dispensant des tests complexes et énergivores ».
Dans l’étude, les formules ont été appliquées au cas pratique d’une capsule ingérable. Résultat : les fréquences optimales obtenues grâce aux équations sont bien les mêmes que celles données par les tests expérimentaux sur des « fantômes »FermerFantôme Dispositif qui reproduit des caractéristiques (mécaniques, acoustiques, etc.) du vivant de façon contrôlée pour valider des techniques d’imagerie médicale. Par exemple, de la gélatine pour des tissus mous du corps humain. reproduisant les tissus humains.
Contraintes cliniques et normes
S’ajoutent à ces contraintes techniques de nombreux autres facteurs à considérer. Guillaume Charvet explique : « Le dispositif doit prendre en compte le besoin médical, les contraintes d’opérabilité clinique et de sécurité, ainsi que les contraintes réglementaires comme la biocompatibilité à long terme ».
L’implant Wimagine a ainsi été conçu pour être le moins invasif possible et permettre un usage chronique sur le long terme. « Le dispositif est en titane, posé à la surface du cerveau sans y pénétrer. La chirurgie pour le placer ne dure qu’une heure et il peut être explanté », détaille Guillaume Charvet.
Puisqu’ils reçoivent et émettent des ondes, ces dispositifs médicaux sont soumis à des normes de sécurité – tout comme les téléphones ou les micro-ondes. Certaines visent par exemple à limiter l’échauffement des tissus autour de l’implant. En fonction de la zone du corps concernée, la réglementation fixe ainsi un débit d’absorption spécifique (DAS) à respecter, correspondant à l’énergie maximale que le corps peut absorber. Ce DAS permet de calculer la puissance maximale à utiliser.
Les implants à venir
Pour Denys Nikolayev, ces dispositifs sont destinés à devenir « de plus en plus petits, souples et biocompatibles, de manière à pouvoir fonctionner dans le corps durant des décennies ». L’amélioration de l’alimentation par rayonnement de ces implants, à laquelle contribuent les études théoriques, favorise leur miniaturisation et ouvre la voie à une myriade de possibilités.
À plus long terme, plusieurs implants pourraient communiquer entre eux. Une étude6 à laquelle Denys Nikolayev a participé a montré qu’un textile métamatériau (constitué d’une répétition de motifs conducteurs) améliorait la communication entre un stimulateur du nerf vague et un capteur de fréquence cardiaque, en guidant les ondes à la surface du corps. Un réseau sans fil direct entre implants à l’échelle du corps humain utilisant de tels textiles métamatériaux a pour l’instant été testé et validé chez le porc.
D’autres travaux vont plus loin : des scientifiques sont en train d’étudier la transmission des ondes à travers les tissus adipeux pour établir des réseaux d’implants à l’intérieur du corps7. La science-fiction va devoir se renouveler !
Consultez aussi
Un implant bioactif, imprimé en 3D, révolutionne la réparation osseuse (blog Focus Sciences)
Nanocorps : une nouvelle arme contre la maladie d’Alzheimer ? (vidéo)
Les mystères du cerveau (dossier)
- 1. ETR, unité CNRS/CentraleSupélec/Insa Rennes/Nantes Université/Université de Rennes.
- 2. G. Mingxiang, et al., « Physical insights and design principles for efficient wireless implantable bioelectronics », Cell Reports Physical Science, 2025 : https://tinyurl.com/implants-bioelec
- 3. H. Lorach, et al., « Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface », Nature, 2023 : https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5
- 4. C. S. Mestais, et al., « WIMAGINE: wireless 64-channel ECoG recording implant for long term clinical applications », IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2014 : https://doi.org/10.1109/TNSRE.2014.2333541
- 5. Le nombre de cycles varie selon la marque de l’implant, la température, la fréquence des décharges, le taux de décharge au début de la recharge, etc.
- 6. X. Tian, Q. Zeng, S. A. Kurt, et al., « Implant-to-implant wireless networking with metamaterial textiles », Nature Communications, 2023 : https://doi.org/10.1038/s41467-023-39850-2
- 7. N. B. Asan, et al., « Characterization of the Fat Channel for Intra-Body Communication at R-Band Frequencies », Sensors, 2018 : https://doi.org/10.3390/s18092752
Voir aussi
Auteur
Après l'obtention d’un diplôme de docteur vétérinaire à l’École nationale vétérinaire d'Alfort, Julie Degen s’est intéressée et formée au journalisme scientifique. Elle exerce ainsi aujourd’hui une double activité de journaliste et de vétérinaire.
Linkedin