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Encapsulation verre : avantages significatifs pour les DM implantables

Publié le 16 août 2013 par Evelyne Gisselbrecht
Source : (Source : Valtronic)

Les progrès les plus récents dans l'encapsulation verre de dispositifs microélectroniques offrent des avantages incontestables aux concepteurs de dispositifs médicaux implantables intelligents. Ces avantages comprennent une réduction des risques d’endommagement des circuits encapsulés, une biocompatibilité élevée, une herméticité supérieure et une bonne stabilité mécanique.

Les implants intelligents sont conçus pour fournir un diagnostic, in vivo et en biofeedback, sur l'état d'un patient et/ou à fournir un traitement. Souvent, un implant intelligent permet de mesurer et transmettre des données de diagnostic et doit fonctionner de manière autonome pour la durée de vie qui lui est destinée: d’une seule journée à plusieurs décennies.

Comparaison des matériaux d'encapsulation

L’encapsulation verre offre de nombreux avantages par rapport aux matériaux courants d'encapsulation d'implants intelligents tels que le titane ou les alliages de titane. En raison de sa résistance et ses autres caractéristiques, le titane a longtemps été utilisé dans les implants médicaux tels que des stimulateurs et défibrillateurs cardiaques, ainsi que dans les prothèses de hanche, de genou, d’épaule et de coude. Toutefois, l’étanchéité des implants en titane nécessite l'utilisation d'une technique de soudage laser à haute température: les implants doivent être sensiblement plus grands que la taille nécessaire finale, afin de minimiser le risque d'endommagement du circuit pendant le processus de soudage. A l’inverse, les dernières techniques de soudage à froid pour l’encapsulation verre permettent de créer des implants significativement plus petits que ceux logés dans le titane.

Plus petits et moins invasifs, ces implants sont plus faciles à exploiter à la fois pour le médecin et pour le patient. Cela souligne un autre inconvénient de la technologie du boîtier titane, en ce sens qu’il offre une moins grande herméticité pour les implants de très petits volumes.

En contraste avec le titane ou ses alliages, l'encapsulation verre offre une possibilité de transmission de radiofréquence (RF) supérieure, généralement utilisée pour envoyer des données biologiques à un lecteur externe ou pour permettre la recharge d'une batterie. Un implant titane intelligent typique nécessite le montage d'une antenne relativement grande sur le PCB, afin de fournir une puissance suffisante pour transmettre des signaux RF à travers le boîtier ou nécessite l’utilisation d’une antenne. A contrario, l'encapsulation verre est totalement transparente aux signaux radio, et nécessite donc beaucoup moins d'énergie pour transmettre un signal. Cela permet aux concepteurs d'implants intelligents d’employer des antennes plus petites et créer des implants plus miniaturisés.

L’encapsulation verre offre, sur de longues périodes, une biocompatibilité plus grande que beaucoup d'autres matériaux d'encapsulation d’implants. Par exemple, le titane est utilisé dans des applications médicales depuis des décennies, il est généralement considéré comme offrant une biocompatibilité élevée. Mais les réactions allergiques ne sont pas inconnues.

D’autres matériaux d'encapsulation d'implants ont également été utilisés au fil des ans, y compris le silicone et les époxydes multicouches. Toutefois, le silicone n'a pas une longue durée de perméabilité ni une haute résistance aux fluides du corps, qui sont essentiels pour les applications à long terme, tels que les stimulateurs cardiaques ou les neuro-stimulateurs.

Il est le mieux adapté pour une utilisation à court terme de diagnostic (24 à 48 heures), par exemple pour le contrôle des variations de pression dans une lentille intraoculaire dans le cadre du traitement du glaucome. L’encapsulation époxy multicouche a une longue histoire d'applications médicales avec une utilisation optimale des implants à moyen terme (30 jours à six mois). Une application typique de l’époxy multicouche est un implant dentaire qui mesure l'humidité dans la bouche du patient, puis stimule la glande sous-maxillaire pour produire plus de salive.

La prochaine génération d'implants intelligents

L'utilisation de l'encapsulation verre peut aider les développeurs de la future génération d'implants intelligents confrontés à une multitude de défis techniques. Prolonger la durée de vie de l'autonomie énergétique de l'implant est une préoccupation constante chez les concepteurs d'implants. Par exemple, la batterie d’un stimulateur cardiaque ou d’un défibrillateur peut généralement durer de 5 à 15 ans, en fonction de différents facteurs, mais le remplacement de cette batterie n'est pas simple, car il elle nécessite une intervention chirurgicale pour remplacer l'unité entière. Certains chercheurs explorent la façon de prolonger la durée de vie de la batterie par une recharge à distance à l'extérieur du corps, par l'intermédiaire d'une liaison RF externe. D'autres envisagent l'utilisation de diverses récupérations d'énergie en provenance du corps, en s'appuyant sur des sources telles que les battements cardiaques, la circulation sanguine du patient à l'intérieur des vaisseaux, le mouvement de certaines parties du corps et les changements de température du corps afin de les convertir en énergie électrique. Il y a également des recherches pour trouver des moyens de convertir les sels et sucres du corps comme bio-carburant pour alimenter un implant. L’encapsulation verre, avec sa forte transparence à l'énergie RF, permet de simplifier cette recherche, ainsi que celle impliquée dans le développement de nouvelles fonctions de communication et de mémoire de l’implant. Actuellement, les ingénieurs analysent et développent deux principales technologies d'encapsulation verre pour une utilisation dans les implants intelligents : l'encapsulation verre cylindrique et l'encapsulation de verre planaire.

Applications pour les implants intelligents encapsulés en verre

Contrairement à d'autres technologies d'encapsulation, l’encapsulation verre offre l'avantage d'une durée de vie prolongée, généralement de 1 à 10 ans, et potentiellement encore beaucoup plus longtemps. Des puces encapsulées verre sont utilisées depuis longtemps en médecine vétérinaire sous forme d’identification. Ces dispositifs sans batterie sont implantés sous la peau de l'animal à l'aide d'une aiguille hypodermique de gros calibre. Le système est conçu pour être activée par un signal RF à faible puissance émise par un dispositif de balayage qui active la puce pour transmettre un numéro d'identification unique préprogrammé. Chez les patients humains, les applications typiques d’implants injectables cylindriques encapsulés en verre (CGE) concernent différentes tâches de détection biologique, telles que la surveillance continue de glucose dans le fluide interstitiel d'un patient diabétique. D’autres applications sont conçues pour surveiller la pression artérielle d’un patient ou ses niveaux de cholestérol. Un jour, il sera peut-être possible de conditionner un «laboratoire sur puce» entier. Les dispositifs d'encapsulation de verre planaire (PGE) sont susceptibles d'inclure un circuit beaucoup plus dense et un nombre d’interconnexions élevées (jusqu'à 100). Cet avantage trouve son application dans le domaine de la stimulation cérébrale profonde, par exemple pour le traitement de l'épilepsie ou de la maladie de Parkinson.

La technologie de l’encapsulation verre cylindrique (CGE)

Plusieurs type de verre peuvent être applicables au développement des encapsulations, par exemple, le verre borosilicate et bioactif (verre biocompatible), le quartz et le verre Kovar-Glass. Ces matériaux doivent être conformes aux normes de biocompatibilité (norme ISO 10993-1 pour l'évaluation biologique des dispositifs médicaux reconnus par la Food and Drug Administration Américaine) et d’étanchéité de l'implant (protection des circuits contre la dégradation due à l'humidité). Les dimensions des implants CGE d'aujourd'hui les rendent de moins en moins invasifs, avec des diamètres extérieurs de 2 mm à 8mm, une paroi épaisse de seulement 0,4-0,6 mm et une longueur de 12 mm à 50 mm. Valtronic développe actuellement la technologie nécessaire pour encapsuler des petits implants extrêmement miniaturisés. Un implant CGE se compose généralement d'un seul élément en verre tubulaire. La conception des interconnections électriques de stimulation est actuellement en cours de développement. Cette conception de l'implant peut, pour l’instant, être utilisée dans les cas où le flux d'énergie ou du signal est indépendant des connexions.

La technologie de l’encapsulation verre planaire (PGE)

Comme son nom l'indique, un implant planaire encapsulé en verre est un assemblage à facteur de forme libre, et non cylindrique. Souvent, ce type d'encapsulation verre peut avoir une autre fonction, en plus de protéger la microélectronique à l'intérieur, comme les prises de tension (du sang ou intracrâniennes). Il peut aussi éventuellement être utilisé comme un élément piézo-électrique destiné à capter l'énergie mécanique produite par les mouvements du patient en tant que source de puissance pour l'implant. Le processus d'assemblage PGE prévoit une forte densité fonctionnelle dans des implants extrêmement petits et de haute herméticité. Les connexions sont implantées dans le fond de la paroi en verre et sont partie intégrante de l’encapsulation. Ensuite, les vias de tungstène sont recouverts d’une couche d’or sur les surfaces internes et externes du verre.

Après que l’électronique interne de l'implant soit connectée, la coquille de verre supérieure est ajoutée et soudée à la coquille de verre inférieure. La dernière étape est l’interconnexion des électrodes pour permettre l'interaction de l'implant dans le corps humain.

Avantages du procédé de soudage de Valtronic

Valtronic a mis au point un procédé de soudage laser pulsé à température ambiante, spécifiquement pour l'étanchéité des implants PGE dans des conditions environnementales particulières. La température à l'intérieur de la cavité de l'implant reste inférieure à 80° C tout au long du processus de scellement, ce qui élimine les risques pouvant endommager le circuit encapsulé dû à l’élévation de température durant le procédé de soudage. Aucune matière auxiliaire sous forme de couche intermédiaire ou d’adhésif n’est impliquée dans le processus d'encapsulation, ce qui contribue à maintenir un haut niveau de biocompatibilité du verre. Ce processus garantit une grande herméticité de l'implant et l'intégrité des éléments intégrés tout en les protégeant de l'humidité. Dans le même temps, la capacité du processus à assurer une haute herméticité protège les patients contre les effets de dégradation des composants et des matériaux à l'intérieur de l'implant. Les ingénieurs de Valtronic et leurs partenaires de recherche ont confirmé ce haut niveau d'herméticité à travers de nombreux tests de fuite, de tests de vapeur dans des autoclaves et de tests de fuite à l'hélium. Les essais de cisaillement, de tenue en pression et des essais de vibrations sont utilisés pour caractériser la stabilité mécanique de l'emballage de l'implant complet.

Procédé d'encapsulation de l'implant

Les ingénieurs de Valtronic Suisse peaufinent actuellement un processus en trois étapes pour l’encapsulation de l’implant planaire :

Etape 1 : Fourniture du verre de couverture métallisation (intérieur/extérieur).

Etape 2 : Inspection d'entrée du dispositif électronique processus de post-durcissement connexion du dispositif électronique (intérieur), contrôle qualité (QC).

Etape 3 : Fourniture de matières premières (compartiment en verre avec cavité), combinaison avec la préparation à l’étanchéité du verre de couverture assemblage par soudage laser (à température ambiante et sous conditions environnementales spéciales), contrôle qualité de l’herméticité de l’emballage (stérilisation à la demande, selon les autres procédés nécessaires pour la finition des implants).

Grâce à ses compétences-clés de miniaturisation électronique de dispositifs et d’encapsulation verre, Valtronic approche des conceptions innovantes dans le domaine du développement des prochaines générations d’implants intelligents. Cette nouvelle technologie consiste à envelopper l'implant dans un étui en silicone de 600 μm d'épaisseur afin de protéger le verre et l'électronique intérieure des contraintes mécaniques.

Les autres composants de ce design comprennent l'encapsulation verre de deux parties planes, un set de composant électronique ASIC/MEMS/System-in-Package (SiP), des interconnexions de puces en technologie d’assemblage wire-bonding/flip-chip, des gold stud bumps et des électrodes. Dans ce genre de concept, le design complet de l'implant n’est que de 2,55 mm d'épaisseur, ce qui le rend suffisamment petit pour l'implanter dans différentes parties du corps humain. Cette approche de design est conforme aux exigences de l'industrie pour la sécurité des patients, la plus grande autonomie du dispositif, la facilité de communication des données, la mini-invasivité et, enfin, l’interaction améliorée grâce à des éléments biologiques, une mesure et une stimulation plus précises.

Auteur : Frédéric Mauron, directeur business & administration, ingénierie biomédicale, Valtronic

Contact : Valtronic Technologies (Suisse) SA, CH-1343 Les Charbonnières, www.valtronic.com/contact

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