Une équipe de chercheurs de l’Université du Wisconsin–Madison a développé un stimulateur cardiaque implantable sans batterie, alimenté par les battements du cœur du patient. Ce dispositif a le potentiel de durer toute une vie, réduisant ainsi les risques et les coûts associés au remplacement des appareils lorsque leurs batteries sont épuisées.
Dirigée par Pengfei Chen, chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux à l’UW–Madison, cette recherche paraît dans le numéro du 19 août 2026 de la revue Science Advances.
« Pour un dispositif comme celui-ci, il ne s’agit pas seulement de produire de l’énergie. La densité de puissance est l’élément le plus important. Il faut obtenir suffisamment de puissance dans un volume suffisamment petit », déclare Xudong Wang, professeur de science et ingénierie des matériaux, qui supervise les travaux de Chen. « Grâce à notre technologie, nous avons atteint une densité de puissance de sortie supérieure d’un ordre de grandeur à celle des nanogénérateurs précédents. »
Ce projet n’est pas qu’un simple exercice théorique. Les dispositifs alimentés par ces nanogénérateurs pourraient avoir un impact durable sur le bien-être des patients. « Cette technologie montre un incroyable potentiel. L’un des défis cliniques de la prise en charge des patients porteurs de stimulateurs cardiaques est la nécessité de remplacer le générateur lorsque la batterie s’épuise, ce qui implique une réintervention », explique le Dr Daniel Modaff, électrophysiologiste cardiaque à l’hôpital et aux cliniques de l’UW et coauteur de l’article. « J’attends avec impatience un monde où nous pouvons implanter un seul dispositif qui durera toute la vie du patient, et c’est un grand pas de plus vers la réalisation de ce rêve. »
Au cours des 70 dernières années, les stimulateurs cardiaques — des dispositifs électriques qui stimulent le cœur pour corriger les battements irréguliers — sont passés d’appareils simples et volumineux, à remplacer tous les quelques années, à de petits dispositifs microélectroniques sophistiqués capables de détecter les rythmes cardiaques et de s’adapter en temps réel. Pendant de nombreuses décennies, le stimulateur cardiaque transveineux — un petit dispositif alimenté par batterie, implanté dans la poitrine et relié au cœur par des sondes cheminant dans les veines — était le traitement de référence.
En 2016, cependant, le stimulateur cardiaque intracardiaque sans sonde MicraTM est arrivé sur le marché. Ce petit dispositif, contenu dans une capsule en titane de la taille d’une grande pilule de vitamines, est guidé par cathéter à travers la veine fémorale jusqu’au cœur, où il est implanté dans le ventricule droit. Ce dispositif avancé permet une récupération plus rapide, entraîne moins de complications et ne nécessite pas d’implant dans la poitrine du patient.
Le stimulateur intracardiaque présente toutefois un inconvénient majeur. Sa batterie représente plus de la moitié de sa taille et de son poids, et ne dure que sept à dix ans. Une fois la batterie épuisée, il est difficile de retirer l’implant du cœur du patient ; le stimulateur hors service est donc souvent laissé en place lorsqu’un nouveau dispositif est inséré. C’est un problème pour les patients plus jeunes, qui peuvent avoir besoin de plusieurs remplacements de stimulateur au cours de leur vie.
C’est pourquoi les chercheurs explorent des solutions alternatives pour alimenter ces dispositifs à long terme. Ils étudient toutes les pistes, des batteries au tritium aux nanogénérateurs piézoélectriques (qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont comprimés ou étirés), en passant par les nanogénérateurs triboélectriques (qui produisent de l’énergie lorsque deux matériaux de charges opposées entrent en contact puis se séparent). Jusqu’à présent, cependant, aucun de ces minuscules dispositifs ne peut produire suffisamment d’énergie pour alimenter correctement le stimulateur intracardiaque.
S’appuyant sur des années d’expérience dans la production de dispositifs triboélectriques et bioélectroniques implantables innovants, Wang et Chen ont décidé de voir si leurs techniques pouvaient faire progresser la technologie des stimulateurs cardiaques. Pour commencer, ils ont limité la taille de leur dispositif afin qu’il puisse se glisser dans le compartiment à batterie du Medtronic MicraTM, le stimulateur intracardiaque sans sonde le plus courant, tout en conservant la taille globale de l’appareil.
Pour ce faire, ils ont conçu des structures triboélectriques oscillantes spécialisées, placées au-dessus et en dessous du bloc électronique situé au milieu de l’enveloppe en titane du Micra. Les oscillateurs sont constitués de paires de plaques d’électrodes reliées entre elles, avec un revêtement de cuivre positif d’un côté et un film d’éthylène-propylène fluoré négatif de l’autre. Lorsque le cœur du patient bat, le mouvement comprime les oscillateurs, ce qui rapproche les plaques de charges opposées. Lorsqu’elles se séparent, les minuscules mouvements créent une charge électrique qui alimente le stimulateur ou est stockée dans un petit condensateur intégré.
La conception de ce minuscule appareil a demandé beaucoup d’essais et d’erreurs. « Nous avons dû réfléchir à la manière d’équilibrer stabilité et flexibilité pour qu’il puisse osciller des millions et des millions de fois tout en conservant le comportement mécanique souhaité », dit Chen. « Nous avons dû optimiser l’emplacement et la largeur de chaque fil, ainsi que l’épaisseur de chaque plaque d’électrode et de chaque substrat. »
Tout au long du processus, les ingénieurs ont travaillé en étroite collaboration avec une équipe interdisciplinaire pour répondre aux spécifications techniques et médicales et faire progresser la technologie vers une application clinique. Cette équipe comprenait le professeur Bo Liu, biologiste cardiovasculaire à l’École de médecine et de santé publique de l’Université du Wisconsin ; le Dr Eric Schmuck, expert en cardiologie des grands animaux au Centre de recherche et d’innovation biomédicale porcine de l’UW–Madison ; et le Dr Daniel Modaff, électrophysiologiste cardiaque à l’hôpital et aux cliniques de l’UW.
Leur souci du détail a porté ses fruits. Les tests en laboratoire montrent que le nanogénérateur est capable de produire 276,6 microwatts par centimètre cube. C’est non seulement suffisant pour faire fonctionner le stimulateur, mais c’est aussi une puissance de sortie nettement supérieure à celle des solutions miniaturisées piézoélectriques et triboélectriques précédentes.
Pour tester le dispositif, l’équipe a implanté un prototype chez un porc, observant ses performances et sa biocompatibilité pendant un mois. Le nanogénérateur a réussi à alimenter la stimulation cardiaque lors des tests fonctionnels, sans réactions indésirables au-delà de celles des stimulateurs intracardiaques classiques à batterie.
Wang indique que l’oscillateur est relativement peu coûteux à produire et mécaniquement assez robuste pour potentiellement durer toute la vie du stimulateur. L’équipe a enregistré le dispositif auprès de la Wisconsin Alumni Research Foundation, mais la commercialisation et le déploiement clinique prendront probablement encore plusieurs années.
Il reste encore quelques défis techniques à surmonter avant que le stimulateur à oscillateur ne soit prêt pour des essais cliniques chez l’humain. Dans le cœur du porc, le nanogénérateur n’a pas atteint le même pic de puissance qu’en laboratoire. Cela s’explique par le fait que le tissu cardiaque est un substrat mou, qui amortit le mouvement mécanique de l’oscillateur. L’autre défi est de tenir compte du mouvement naturel du cœur, qui est davantage un mouvement de torsion qu’un mouvement vertical de haut en bas, seul à permettre à l’oscillateur de produire un mouvement maximal.
Wang et Chen continuent d’affiner la conception et se disent optimistes quant à leur capacité à surmonter les défis techniques restants. « Nous voulons comprendre comment convertir efficacement le mouvement plus irrégulier du cœur en oscillation mécanique », dit Wang. « Cela nous mènera à notre objectif en démontrant une production d’énergie suffisante et stable à partir de cœurs in vivo. »
Schmuck, du Centre de recherche et d’innovation biomédicale porcine, pense que le nanogénérateur triboélectrique pourrait ouvrir une toute nouvelle voie pour les soins cardiaques. « Ce qui m’enthousiasme le plus dans cette technologie, ce n’est pas simplement sa capacité à alimenter un stimulateur cardiaque, mais la manière dont elle pourrait permettre la prochaine génération de dispositifs cardiaques implantables », dit-il. « D’un point de vue translationnel, une source d’énergie fiable et autonome donne aux développeurs de dispositifs une plus grande liberté pour concevoir des implants plus petits, dotés de capacités diagnostiques et thérapeutiques améliorées. Alors que nous continuons d’évoluer vers des soins cardiaques plus intelligents et plus personnalisés, les technologies qui récoltent l’énergie directement du corps pourraient jouer un rôle essentiel pour amener ces innovations du laboratoire au patient. »
Article : Self-Sustaining Leadless Intracardiac Pacemaker Powered by Triboelectric Nanogenerator – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Source : UW–Madison
