Conception et caractérisation de microdispositifs en technologie titane pour implants médicaux

Conception and characterization of titanium-based microsystems for medical implants

• Auteur / Autrice : Gwenaël Bécan
• Direction : Elie Lefeuvre, Marion Woytasik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 05/05/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Rémi Dussart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Woytasik, Gaëlle Lissorgues, France Le Bihan, Guillaume Agnus
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gaëlle Lissorgues, France Le Bihan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Implants électroniques

Capteurs de pression

Systèmes microélectromécaniques

Microcapteurs

Mots clés libres

Membranes

Titane

Mécanique

Microsystèmes

Implants médicaux

Microcapteurs

Microsensors

Medical implants

Microsystems

Membranes

Mechanics

Titanium

Résumé

Ce travail de recherche vise à réaliser une preuve de concept d’un capteur de pression avec un transducteur en titane massif pouvant être intégré à des implants médicaux tels que les stimulateurs cardiaques. La mesure de la pression physiologique au sein d’un organe est l’un des paramètres cliniques-clés pour le suivi de certaines pathologies comme l’insuffisance cardiaque ou le glaucome. L’étude de ce capteur est motivée par un besoin de mesure chronique de la pression pour le suivi des pathologies sévères sur des plages de temps pouvant aller jusqu’à la dizaine d’années. La technologie mise en jeu pour ce travail est basée sur la transposition de techniques de microfabrication silicium, largement utilisée dans l’industrie des microsystèmes, vers une technologie titane, mieux adaptée aux contraintes de l’implantable, compte-tenu de la biocompatibilité intrinsèque du titane, de ses excellentes propriétés mécaniques et de sa résistance à la corrosion. Ce domaine impose une biocompatibilité à long terme des matériaux d’encapsulation. La plage de mesure s’étend typiquement de 0 à 40000 Pa, avec une résolution minimale d’environ 100 Pa. Pour réaliser ce microcapteur de pression, des transducteurs capacitifs à membrane ont été conçus, modélisés, puis fabriqués à partir de titane massif et caractérisés en vue de leur intégration dans un implant. Comparativement à l’utilisation de microcapteurs en silicium, l’approche proposée permet d’utiliser pour le substrat un matériau d’emblée biocompatible. Ainsi, les étapes habituelles d’encapsulation coûteuses et encombrantes par un matériau biocompatible sont évitées, ce qui permet en outre de préserver les performances du capteur. La caractérisation mécanique et électrique des prototypes de microcapteurs de pression réalisés a permis de démontrer la possibilité de répondre aux besoins de l’application visée en atteignant les spécifications préalablement définies.

Present work aims at developing a proof of concept of a pressure sensor with a bulk-titanium-based transducer adapted to a further integration into medical implants such as pacemakers. Physiological pressure monitoring is a key clinical parameter, which could improve the way clinicians are treating their patients suffering from diseases such as heart failure or glaucoma. The study of this sensor is motivated by the need for chronical monitoring of pressure over a long period range, which could be as long as 10 years. The technologies used in this project involve a transposition from silicon microfabrication techniques to bulk titanium ones. Titanium material appears better suited to answer the clinical needs of the implantable domain as it is biocompatible, resistant to corrosion and has excellent mechanical properties. The further requirements of the implantable devices impose the biocompatibility of all encapsulating materials, a pressure range going from 0 to 40000 Pa and a minimal resolution of nearly 100 Pa. To this end, different designs were proposed and modeled to predict the response of such structures to external stresses. Transducers out of bulk titanium were fabricated and characterized to evaluate their characteristics in further developed pressure sensor. The implied microfabrication techniques differ from current common strategies by proposing a substrate material which is intrinsically biocompatible. This avoids the need of a bulky and costly encapsulation step, which could decrease the performance of the sensor. Finally, prototypes were assembled and characterized electrically, showing the possibility to attain the targeted clinical needs.