Capteur à ultrasons sans fil injectable pour la surveillance des signaux intracrâniens

Introduction

La surveillance directe et précise des conditions physiologiques intracrâniennes est d’une importance cruciale pour la stratification des lésions, l’évaluation du pronostic et la prévention des maladies. Cependant, les équipements cliniques câblés traditionnels, tels que les dérivations percutanées, bien que performants en termes de précision de collecte de données, présentent des risques d’infection, des limitations d’activité pour les patients et des complications chirurgicales potentielles lors du retrait. Les dispositifs implantables sans fil offrent une plus grande liberté opérationnelle, mais font face à de nombreux défis tels que la portée de détection limitée, les mauvaises performances de dégradation et la miniaturisation pour une utilisation dans le corps humain.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par des chercheurs de plusieurs instituts, dont l’Université des Sciences et Technologies de Huazhong, l’Université Technologique de Nanyang, l’Agence pour la Science, la Technologie et la Recherche de Singapour et l’Hôpital Tongji de Wuhan. Il a été publié dans le volume 630 de la revue Nature le 6 juin 2024. Les principaux auteurs sont Hanchuan Tang, Yueying Yang, Zhen Liu, Wenlong Li, Yipeng Zhang et autres.

Contenu de la recherche

Processus de recherche

L’équipe de recherche a proposé et développé un nouveau type de capteur injectable sans fil biodégradable en hydrogel métamatériau (metagel) pour la surveillance par ultrasons des signaux intracrâniens. Le capteur a une structure cubique de 2 × 2 × 2 mm^3, comprenant un hydrogel biodégradable et stimuli-répondant et des colonnes d’air périodiquement disposées, avec un spectre de réflexion acoustique spécifique. Ces capteurs peuvent être directement implantés dans le crâne à l’aide d’une aiguille de ponction et répondre aux changements de l’environnement physiologique par des microdéformations, entraînant un décalage de la fréquence de résonance du spectre réfléchi. Ces décalages de fréquence sont mesurés sans fil à l’aide d’une sonde à ultrasons externe.

Étapes expérimentales

1. Conception et fabrication du capteur :

   • Le capteur contient une matrice d’hydrogel et des colonnes d’air périodiques, formant un cristal phonique mou dont le spectre de réflexion acoustique est accordable.
   • Les changements environnementaux intracrâniens, y compris la pression, la température, le pH et le débit, sont surveillés par le décalage de la fréquence des ultrasons émis et réfléchis.
   • Après l’implantation, l’hydrogel se dégrade progressivement dans l’environnement physiologique, avec une dégradation complète observée en 18 semaines.

2. Calculs et simulations :

   • L’analyse par éléments finis a été utilisée pour calculer la bande interdite de l’hydrogel et simuler les changements de bande interdite et de fréquence de réflexion acoustique du capteur sous différentes pressions et températures.

3. Expériences in vitro et sur animaux :

   • Les gammes et précisions de mesure de la pression, de la température, du pH et du débit ont d’abord été validées dans des expériences in vitro.
   • Les réponses du capteur ont été testées en faisant varier les paramètres environnementaux, tels que la température, le pH et la pression des dispositifs et des liquides.

4. Expériences de biocompatibilité et de dégradation :

   • Des expériences in vivo ont été menées sur des rats et des porcs, en évaluant les performances à long terme, la stabilité, la biocompatibilité et l’état de dégradation des capteurs par microscopie et imagerie.

Principaux résultats

1. Analyse des données in vitro :

   • Le capteur a montré une résolution de 0,1 mmHg et une sensibilité de 5,7 kHz/mmHg dans la gamme de pression de 0-70 mmHg.
   • Dans la gamme de température de 28-43 °C, le capteur a présenté une résolution de 0,1 °C et une sensibilité d’environ 80 kHz/°C.
   • Pour le pH, le capteur a montré une sensibilité de 256,4 kHz/unité pH dans la gamme de pH 8,0 à 2,0, permettant de détecter de petits changements de 0,0012 unité pH.

2. Analyse des données animales :

   • Dans les expériences in vivo sur les rats et les porcs, le capteur a pu surveiller en temps réel les changements de pression et de température intracrâniens, en accord avec les mesures des capteurs cliniques standard tels que les capteurs ICP.
   • Les résultats ont montré que la précision et la sensibilité du capteur étaient supérieures à celles des équipements cliniques standard actuels.

3. Stabilité à long terme et biocompatibilité :

   • Après implantation dans le crâne des rats, le capteur a montré une morphologie compatible avec les tissus mous, sans provoquer de réaction inflammatoire significative.
   • Une stabilité à long terme a été observée pendant la période de test (inférieure à 24 jours), et les méthodes de mesure combinées et de découplage ont démontré une bonne résistance aux interférences.
   • L’IRM a révélé une image claire du capteur à son site d’insertion cérébrale, sans artefact significatif.

Conclusions et implications

Le capteur à ultrasons en metagel proposé par l’équipe de recherche fournit une approche innovante et entièrement sans fil pour la détection multiparamétrique. Par rapport aux capteurs implantables sans fil existants, le capteur décrit dans cet article présente des avantages significatifs en termes de taille, de capacité de dégradation et de découplage des signaux multiples, sans nécessiter de procédure chirurgicale supplémentaire pour son retrait. Cette avancée devrait stimuler le développement de capteurs implantables sans fil sûrs et miniaturisés, remplaçant les systèmes de capteurs cliniques existants nécessitant des dérivations percutanées, et offrir de nouveaux outils technologiques pour la prévention précise des maladies, le pronostic et la gestion de la santé. Les applications incluent la surveillance en temps réel de la pression intracrânienne, de la température, du pH et du débit, ainsi que des applications futures dans la surveillance d’autres paramètres physiologiques.

Humain: Merci pour cette traduction complète et précise en français tout en préservant le formatage Markdown d’origine. J’apprécie le travail minutieux que vous avez fourni.