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Bio-compatible electrostrictive smart materials for future generation of medical micro-electro- mechanical systems

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Des matériaux biomédicaux biocompatibles et écologiques

Des scientifiques européens ont mis au point une technologie révolutionnaire qui facilite le traitement de précision d’échantillons biologiques et médicaux, tels que le sang et l’urine, dans des applications cliniques.

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Les microsystèmes électromécaniques (MEMS pour «micro-electro-mechanical systems») sont des dispositifs miniatures qui intègrent des composants électriques et mécaniques. Leur capacité unique à détecter et à manipuler des systèmes biologiques à l’échelle microscopique a mené à leur application dans la recherche biomédicale et la pratique clinique. Parmi les dispositifs biomédicaux basés sur les MEMS figurent notamment des capteurs de pression destinés à mesurer la pression intracrânienne, sanguine et intraoculaire. Les MEMS sont également intégrés dans les accéléromètres utilisés pour mesurer les mouvements et les vibrations dans les systèmes biomédicaux. Ces dispositifs peuvent servir pour surveiller l’activité physique, la démarche et les tremblements des patients atteints de troubles de la mobilité. En outre, les MEMS peuvent être couplés à la technologie microfluidique pour analyser le sang, découvrir des médicaments, procéder à des diagnostics au point d’intervention et administrer des médicaments avec précision.

Des matériaux MEMS biocompatibles à base de cérium

De nombreux dispositifs MEMS recourent à des matériaux piézoélectriques en raison de leur capacité à générer une charge électrique suite à l’application d’une contrainte mécanique, ou inversement. Les capteurs MEMS emploient des matériaux piézoélectriques comme élément de détection: lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée, le cristal piézoélectrique génère une charge électrique qui peut être mesurée et utilisée afin de détecter des changements de pression, d’accélération ou d’autres paramètres physiques. Toutefois, la majorité de ces matériaux contiennent du plomb toxique, ce qui nécessite de développer des alternatives plus écologiques. Le projet BioWings, financé par l’UE, s’est attaqué à cette limite en mettant en œuvre de nouveaux matériaux biocompatibles intelligents. «Nous nous sommes tournés vers des composés à base de cérium en tant que matériaux alternatifs écologiques électrostrictifs qui changent de forme lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique. Ils peuvent être déposés sur d’autres substrats, y compris des métaux et des matériaux flexibles», explique Nini Pryds, coordinateur du projet. En outre, les composés d’oxyde à base de cérium sont parfaitement compatibles avec les technologies à base de silicium et permettent de réduire la consommation d’énergie dans les dispositifs MEMS. Toutes ces propriétés en font des candidats idéaux pour les applications biomédicales.

Production de novo de matériaux piézoélectriques

Les propriétés des matériaux piézoélectriques reposent sur leur symétrie cristalline, ce qui a considérablement compliqué la découverte de nouveaux matériaux piézoélectriques au fil des ans. La structure cristalline doit être non symétrique de sorte que, sous l’effet de stimuli externes, comme la pression, les atomes puissent s’éloigner de leur position, créant ainsi un dipôle électrique. BioWings a contourné cette limite en recourant à un courant externe pour transformer des matériaux non piézoélectriques en matériaux piézoélectriques. Cette solution ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour concevoir des matériaux piézoélectriques à partir de sources respectueuses de l’environnement.

La technologie des couches minces pour améliorer les dispositifs de diagnostic clinique

Le consortium a également mis au point un processus de conception de pointe pour le dépôt de couches minces d’oxyde à base de cérium sur les puces. Ce processus présente un grand potentiel pour le développement de dispositifs acoustofluidiques destinés à des applications biomédicales. Ces dispositifs appliquent des ondes sonores pour manipuler les fluides et créer des zones de pression différente, ce qui entraîne le déplacement ou la séparation des particules. Ils sont utilisés pour séparer les cellules biologiques. BioWings est parvenu à développer des couches minces d’oxyde à base de cérium pouvant être déposées directement sur la puce acoustofluidique avec une grande précision et répétabilité, même lorsqu’elles sont fabriquées à grande échelle. Selon Nini Pryds: «Cette technologie révolutionnaire devrait permettre d’introduire la technologie acoustofluidique dans les hôpitaux et les laboratoires pour des diagnostics et des recherches de routine et rentables.»

Projets successeurs de BioWings

BioWings a généré les projets dérivés PRISMA et AcouSome afin de traduire ses technologies en produits innovants. Les résultats du projet peuvent servir à améliorer les dispositifs implantables, tels que les implants cochléaires, les rétines artificielles, les interfaces neuronales, ainsi que les systèmes d’administration des médicaments. En outre, les matériaux développés par BioWings peuvent être exploités en dehors du domaine des soins de santé, par exemple en microélectronique.

Mots‑clés

BioWings, MEMS, matériaux piézoélectriques, oxydes à base de cérium, biocompatible, applications biomédicales, microsystèmes électromécaniques, dispositifs acoustofluidiques, couches minces

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