De nos jours, l'électronique vestimentaire suscite beaucoup d'intérêt: Google, par exemple, est en train de se développer dans le secteur des lunettes, alors que d'autres sociétés se disputent leur part du marché avec des clips et des montres de haute technologie qui suivent ce que vous mangez et comment vous bougez. .
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Mais aucun d'entre eux ne ressemble à ce que John Rogers, lauréat du prix Smithsonian American Ingenuity 2013 en sciences physiques, est en train de développer. Son appareil, voyez-vous, est conçu non seulement pour tenir comme un gant, mais peut-être aussi pour sauver un jour la vie de celui qui le porte.
Le scientifique des matériaux, accompagné de son équipe d'étudiants de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a testé avec succès ce qui est décrit comme une chaussette pour le cœur. L'appareil, installé sur toute la surface du cœur, est composé d'une série de capteurs permettant de surveiller avec une précision incroyable le fonctionnement interne de cet organe vital. S'il détecte une anomalie troublante, il peut transmettre des données à des professionnels de la santé. en cas d'urgence, comme lors d'une crise cardiaque, il pourrait même intervenir en administrant une impulsion induite par une électrode.
Normalement, le cœur pompe si efficacement que nous ne le remarquons presque pas. Toutefois, chez les personnes souffrant de troubles du rythme cardiaque, les contractions cardiaques désynchronisées peuvent être débilitantes, provoquant des vertiges, des faiblesses, des vomissements et des douleurs à la poitrine, pour les personnes souffrant d'arythmie ou, dans certains cas, mortelles. Avec le temps, les irrégularités rythmiques peuvent provoquer des caillots sanguins (pouvant parfois entraîner des accidents vasculaires cérébraux) et, dans les cas extrêmes, un arrêt cardiaque.
Les médecins peuvent généralement prescrire des médicaments pour remédier à ces problèmes. Mais dans certains cas, les patients doivent recourir à des interventions chirurgicales telles que des stimulateurs cardiaques ou des implants de défibrillateur. Et bien que ces dispositifs fonctionnent suffisamment, le mécanisme qu’ils utilisent pour réguler le rythme cardiaque d’une personne est en réalité assez grossier. Avec les implants de défibrillateur, une paire d'électrodes est positionnée à l'intérieur de la cavité cardiaque. Chaque fois qu'une arythmie mettant en jeu le pronostic vital est détectée, le défibrillateur envoie un choc électrique qui assourdit le cœur à un rythme normal. Selon Rogers, le problème avec cette approche est que l'activité d'une autre région du cœur peut, par erreur, déclencher une secousse douloureuse quand elle n'est pas vraiment nécessaire.
L'appareil de Rogers enferme le cœur dans un système sensoriel beaucoup plus sophistiqué, capable de localiser avec précision l'endroit où se produit une irrégularité rythmique. En un sens, cela fonctionne comme les terminaisons nerveuses d'une peau secondaire.
«Ce que nous voulions, c'était exploiter toute la puissance de la technologie des circuits», déclare Rogers, à propos du dispositif mis au point depuis deux ans et demi. «Avec beaucoup d'électrodes, le dispositif peut rythmer et stimuler de manière plus ciblée. . Fournir de la chaleur ou des légumineuses à des endroits spécifiques, et en doses mesurables juste suffisantes, est important, car appliquer plus que nécessaire est non seulement douloureux, mais peut également endommager le cœur. "
Ce diagramme pas à pas illustre la création de l’appareil cardiaque. (Université de l'Illinois et Université de Washington) En plus de son potentiel en tant qu’implant cardiaque d’urgence, l’élasticité de la chaussette cardiaque permet la création de nombreux autres capteurs électroniques et non électroniques capables de surveiller les niveaux de calcium, de potassium et de sodium, considérés comme des indicateurs clés de la santé cardiaque. La membrane peut également être programmée pour suivre les changements de pression mécanique, de température et de pH (acidité), qui peuvent tous aider à signaler une crise cardiaque imminente.
Pour fabriquer le prototype de gaine, les chercheurs ont d'abord numérisé et imprimé en 3D un modèle en plastique du cœur d'un lapin. Ils ont ensuite disposé une bande de 68 capteurs électroniques minuscules sur le moule, en le recouvrant d'une couche de caoutchouc silicone approuvé par la FDA. Après l'assemblage en caoutchouc, les assistants de laboratoire de Rogers ont détaché le polymère préparé sur mesure.
Pour tester la membrane, les chercheurs l'ont entourée d'un vrai cœur de lapin, relié à une pompe mécanique. L’équipe a conçu l’appareil pour qu’il soit un peu plus petit que l’organe lui-même, ce qui lui confèrerait un ajustement doux et semblable à un gant.
"La chose la plus délicate ici", déclare Rogers, "est que la membrane doit être dimensionnée de manière à pouvoir créer une pression suffisante pour que les électrodes restent suffisamment en contact avec la surface. Une pression trop forte forcera le cœur à réagir d'une manière négative. "
"Cela doit aller parfaitement", ajoute-t-il.
Michael McAlpine, ingénieur en mécanique à l’Université de Princeton qui n’a pas participé à la recherche, a déclaré à The Scientist : " Ce qui est nouveau et impressionnant ici, c’est qu’ils ont intégré un certain nombre de fonctionnalités différentes dans une membrane qui couvre toute la surface du cœur. Cette répartition des capteurs offre un niveau élevé de résolution spatiale pour la surveillance cardiaque et offre plus de contrôle en matière de stimulation. "
Alors, que faudra-t-il pour que cette avancée passe du laboratoire au patient? Rogers estime qu'il reste au moins une décennie de développement avant que quelque chose soit prêt pour le marché médical. Entre-temps, il prévoit de continuer à collaborer avec Igor Efimov, ingénieur biomédical à la Washington University, afin de perfectionner la preuve de concept en une technologie pratique, sûre et fiable.
Un obstacle majeur consiste à déterminer comment alimenter la membrane sans batteries conventionnelles. À l'heure actuelle, Rogers et son équipe explorent plusieurs solutions, telles que le chargement par ultrasons, une méthode dans laquelle l'énergie est transmise sans fil à travers la peau, ainsi que l'utilisation de matériaux piézoélectriques qui captent l'énergie de l'environnement. Pour ce dernier, il existe un précédent pour le succès. Il y a deux ans, des ingénieurs de l'Université du Michigan ont utilisé de tels matériaux pour développer un stimulateur cardiaque alimenté uniquement par le rythme cardiaque de l'utilisateur.
"Puisque nous essayons d'incorporer beaucoup plus de capteurs, ainsi que de délivrer des impulsions électriques et de la chaleur, il faudra plus d'énergie que la quantité générée par les stimulateurs conventionnels", a déclaré Rogers. "A l'avenir, nous espérons pouvoir améliorer l'efficacité."
Un autre élément crucial est la possibilité d'envoyer des données à un gadget externe afin que les patients et les spécialistes puissent y accéder. À l'heure actuelle, les capteurs enregistrent, entre autres, des changements de température et de pH, par exemple, mais les scientifiques n'ont pas encore trouvé le moyen de fournir ces données sans fil.
"Les communications Bluetooth sont de faible puissance, nous nous intéressons donc à cela", déclare Efimov. «Fondamentalement, l'appareil nécessitera plus de composants et nous aurons besoin d'experts dans d'autres domaines tels que l'électronique, la télémétrie et les logiciels. Donc, en fin de compte, nous allons devoir mobiliser du capital de risque et créer une entreprise. "
À l'heure actuelle, l'objectif est de faire en sorte que la manche fonctionne comme un appareil pratique; on ne sait pas combien il en coûtera pour produire ou combien cela coûtera aux consommateurs lorsqu'il sera mis sur le marché.
La grande question, cependant, est finalement de savoir si la chaussette pour cœur fonctionnera de manière sûre et efficace in vivo ou chez des sujets de test vivants. Les stimulateurs cardiaques peuvent généralement durer 10 ans. Donc, pour être pratique, l'invention de Rogers devrait également démontrer qu'elle peut rester opérationnelle au moins aussi longtemps. L’équipe se prépare à passer à la prochaine étape avec un projet pilote qui testera la membrane d’un lapin vivant, un test qu’elle espère réaliser avec le financement du National Institutes of Health, ainsi que d’autres subventions pour lesquelles il travaille. Si tout se passe bien, le prochain test visant à déterminer si le gadget est à la hauteur sera appliqué aux humains.
