WO2014128643A1 - Systeme de stockage et de transport d'energie, notamment pour un dispositif implantable, et son procede de fabrication. - Google Patents

Systeme de stockage et de transport d'energie, notamment pour un dispositif implantable, et son procede de fabrication. Download PDF

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Simon Perraud
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Definitions

  • the invention relates to a system for storing and transporting energy, in particular for an impersonable biomedical device such as a stimulator or a sensor.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a system and an impiantable device comprising it.
  • a primary battery is conventionally used.
  • the relatively short life compared to the life of a patient implies the need to set up alternative means.
  • the use of an implanted secondary battery recharged via a coil-type energy recovery device (electromagnetic induction charging), ultrasonic transducer (ultrasonic charging) or photovoltaic cell (recharging). by near infrared light) is envisaged.
  • This type of device has the advantage of not requiring surgery to replace the primary battery once discharged. Indeed, by means of periodic recharging secondary batteries via the energy recovery devices mentioned above, the life of this type of device can approach that of patients.
  • micro-battery a solid (i.e., all-solid) battery made of thin layers, as described for example by Jones et al. Journal of Power Sources, 1995, 54, 63-67. In the following we will also identify these components by the term “micro-solid batteries thin film”. These micro-batteries are extremely thin (generally less than 100 pm, the active part can be less than 0pm), which gives them a mechanical flexibility that do not have the more massive batteries conventionally encountered in the biomedical field, such as lithium-iodine batteries.
  • micro-batteries are relatively limited (of the order of 1 mAh / cm 2 ).
  • the use of such micro-batteries in implanted devices constrains the devices to low unlesss.
  • the electrical connection in parallel of several of these micro-batteries can increase the total capacity of the device.
  • these micro-batteries can not be stacked on each other but must be assembled next to each other. This implies an increase in the size of the device since to reach sufficiently high capacities the surface developed by the micro-batteries can quickly become important.
  • a large-area implanted object can cause poor vascularization of the biological tissues and hence necrosis of these tissues.
  • the use of microbatteries whose surface is as small as 1cm 2 requires charging frequencies too restrictive for the patient since in the context of the example mentioned above it would be necessary to recharge every 4 days.
  • the invention aims to solve the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • implantable biomedical devices comprise a housing containing an electronic circuit (for example a pulse generator), and a cable (or "probe-electrode") connecting this housing to a electrode or set of electrodes for coming into contact with a biological tissue.
  • an electronic circuit for example a pulse generator
  • a cable or "probe-electrode”
  • the battery is placed in the housing that contains the electronic circuit, which poses the congestion problems discussed above.
  • the present inventors have realized that one or more thin-film micro-batteries can be located in the electrode probe - preferably in the form of a sheath surrounding the cable - without the need to increase significantly the volume of the latter.
  • An object of the invention is therefore a storage and energy transport system comprising an electromagnetic energy transport cable and at least one thin-film solid microbattery arranged on an outer surface of said cable.
  • Said or said thin-film solid micro-batteries can surround said cable.
  • Said cable may be a coaxial cable, the system comprising: a first inner conductor, a first insulating layer surrounding said inner conductor, a second outer conductor surrounding said first insulating layer, a second insulating layer surrounding said outer conductor and at least one said micro- tubular solid-film solid battery surrounding said second insulating layer.
  • said cable may be a cable or an optical fiber surrounded by at least one said thin-film solid microvoltug of tubular form.
  • the system may include an insulating layer surrounding or covering said one or more solid-film micro-batteries.
  • the system may comprise a plurality of thin-film solid micro-batteries spaced in a longitudinal (or axial) direction of said cable and interconnected by a same insulating layer which surrounds or covers them, said insulating layer having a module elastic band lower than that of said micro-batteries.
  • said cable may be spirally wound.
  • Another subject of the invention is an implantable biomedical device comprising:
  • an electrode or set of electrodes for applying at least one electrical signal to biological tissue, or for sensing at least one electrical signal generated by such tissue;
  • a storage and energy transport system as described above connecting said housing and said electrode or set of electrodes, wherein: said cable is connected to transmit at least one signal of said electronic circuit to said electrode or assembly of electrodes or vice versa, and said one or more solid-film micro-batteries are connected to supply said electronic circuit.
  • such a biomedical device may also comprise an energy recovery device connected to recharge said one or more thin-film solid-state micro-batteries.
  • Yet another object of the invention is a method of manufacturing a system as described above, comprising the following steps:
  • Said flexible substrate may be a metal strip.
  • Said step a) may comprise the deposition of an insulating layer between said flexible substrate and said stack of thin layers and, in said step d), said insulating layer may not be suppressed.
  • Said flexible substrate may have a ribbon shape, in which case said step b) can be performed by positioning said cable on the surface of said stack of thin layers forming a solid micro-battery; and then winding said flexible substrate and said stack of thin layers around said cable.
  • said flexible substrate can be wound by passing it, with said cable, in a profile.
  • Said step c) may comprise the following operations:
  • FIG. 1 an implantable electrical stimulation device known from the prior art
  • FIG. 2 a sectional view of an electrode probe known from the prior art for such an implantable device
  • FIG. 3 is a flow diagram of a method of manufacturing a storage and energy transport system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a sectional view of a coaxial cable obtained as an intermediate product of the process of Figure 3;
  • FIG. 5 an assembly comprising a stack of thin layers forming a solid micro-battery on a flexible substrate, obtained as an intermediate product of the process of FIG. 3;
  • Figure 6 a step of the method of Figure 3 comprising winding the assembly of Figure 5 to form a tubular structure
  • Figure 10 is a sectional view of a storage and energy transport system according to one embodiment of the invention, obtained by the method of Figure 3;
  • Figure 11 is a sectional view of a storage and energy transport system according to another embodiment of the invention, obtained by the method of Figure 3;
  • FIGS. 12 and 13 respectively, a sectional and plan view of an assembly comprising a stack of thin layers forming a plurality of solid micro-batteries spaced in a longitudinal direction and interconnected by the same insulating layer, used to the realization of a system for storing and transporting energy according to an alternative embodiment of the invention;
  • FIG 14 a system for storing and transporting energy according to another alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 15 an implantable device comprising a system for storing and transporting energy according to the invention.
  • FIG. 1 represents an implantable device according to the prior art of stimulator type, such as a pacemaker, vagus nerve or neurostimulator.
  • a device typically comprises:
  • a hermetically sealed housing 1 generally made of titanium comprising a power source 12 (rechargeable or not) and an electronic 13 for delivering electrical pulses calibrated in frequency and amplitude.
  • the electrode may be made for example of stainless steel, platinum nitride covered with piatin or platinum-coated iridium alloy platinum;
  • one or more electrode probes 14 for connecting the housing to the electrode 15.
  • FIG. 2 shows a sectional view of an electrode probe
  • the electrode probe 14 is composed of one or more tabular flexible electrical conductors wrapped in an insulating sheath.
  • this insulating sheath is generally made of medical grade silicone providing biocompatibility and electrical insulation between the electrical conductor and the biological tissues.
  • a first tubular flexible electrical conductor 21 (which will be called an inner conductor) is separated from a second flexible tubular electrical conductor 22 (which will be called outer conductor) by an insulator 23 generally based on polyethylene for electrically insulating the inner conductor 21 of the outer conductor 22, so as to form a cable-like structure coaxial.
  • the outer portion of the outer conductor 22 is covered with a medical grade silicone sheath 24 providing biocompatibility and electrical isolation between the electrical conductor and the biological tissues.
  • silicone sheath 24 provides biocompatibility and electrical isolation between the electrical conductor and the biological tissues.
  • the silicone polyurethane is preferred in some cases, making it easier to put electrode probe 14 in place.
  • the outer diameter of such a probe-electrode may be between 1 and 5 mm and preferably be of the order of 2 mm.
  • the length of such a probe-electrode is typically between 20 and 80 cm, and may be preferably 45 cm.
  • the present invention provides for functionalizing the electrode probe 14 by attributing to it an energy storage function, in addition to its traditional energy transport function, without substantially increasing its total thickness.
  • FIG. 3 presents the steps of a method of manufacturing a storage and energy transport system according to the invention.
  • the initial step 31 consists of insulating the inner conductor 21 with an insulator 23.
  • This insulator is generally based on polyethylene or silicone and is formed around the inner conductor 21 by dipping said inner conductor 21 in said insulation in the liquid state.
  • a thickness-controlled insulator 23 is formed around the inner conductor 21. Indeed, depending on the withdrawal speeds it is possible to control the thickness of the insulation 23 surrounding the inner conductor 21 and thicknesses between 100pm and 1mm preferably about 500pm are desired.
  • the next step 32 provides for the introduction of the outer conductor 22.
  • Several methods for the introduction of the outer conductor 22 exist and are well known to those skilled in the art. For the sake of simplicity we will not consider here a relatively simple configuration of winding the outer conductor 22 around the insulator 23.
  • the next step 33 concerns the preparation of the substrate before making the micro-battery as shown in FIG. 5.
  • a metal strip 41 is used as a non-limiting example as a substrate.
  • the material constituting the metal strip may be molybdenum or aluminum, for example, or any other metal that can be etched with an acid solution.
  • the thickness of the strip will be between 10pm and 50 ⁇ , preferably between 25pm and ⁇ and for example 50pm
  • an insulating and biocompatible layer 42 is deposited on the entire surface (both in length and width) of the strip metal 41; for example, parylene, polyethylene, polyurethane, silicone or any other insulating and biocompatible material may be used.
  • the thickness of this layer 42 is between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 50 ⁇ m and 200 ⁇ m and for example 100 ⁇ m.
  • a barrier layer 43 On the entire surface of this insulating and biocompatible layer 42 is deposited a barrier layer 43, intended to prevent the diffusion of lithium.
  • tantalum nitride or atomic layer deposition titanium nitride (ALD) may be used. It should be noted that tantalum nitride and titanium nitride are both biocompatible materials.
  • the layer 43 may be composed of a stack comprising a biocompatible material (in connection with the outside of the device via the layer 42) and a non-biocompatible material serving as a barrier strictly speaking.
  • the thickness of the layer 43 is between 0 nm and 100 nm, preferably 50 nm.
  • the stack 44 of layers deposited on the entire surface of the barrier layer 43 corresponds to the embodiment of step 34 and comprises current collection materials (metals), materials for forming cathodes (TiO x Sy, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , V 2 O 5 , etc.), materials for forming electrolytes (solid electrolytes such as LiPON, which is a lithium-based material, phosphorus , oxygen and nitrogen), and materials to form anodes (U, or Li alloy with C, Si, Ge, Sn).
  • current collection materials metal
  • materials for forming cathodes LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , V 2 O 5 , etc.
  • electrolytes solid electrolytes such as LiPON, which is a lithium-based material, phosphorus , oxygen and nitrogen
  • U or Li alloy with C, Si,
  • the stack 44 of the layers may have a different structure and composition, but must in any case include a cathode current collector, an anode current collector, a cathode, an anode and an electrolyte serving as an ion channel between the cathode and the cathode. anode and allowing an electrochemical reaction.
  • the materials composing the stack may for example be chosen according to the desired voltage for the application.
  • the structure presented by Fleutot et al., Journal of Power Sources 196 (2011) 10289-10296, may be exemplified as an embodiment of stack 44.
  • the micro-battery is an "all-solid" micro-battery composed of a cathodic and anodic current collector deposited by cathodic sputtering, a positive electrode made of TiOS deposited by cathodic sputtering, a solid electrolyte LiPONB deposited by reactive cathodic sputtering and a metal Li positive electrode deposited by thermal evaporation.
  • the micro-battery is protected from moisture and oxygen by encapsulation obtained by alternating polymer layers and metai layers obtained by chemical vapor deposition and sputtering, respectively.
  • the stack 44 may be terminated by an insulating polymer so that there are no electrical contacts between the micro-battery and the outer conductor 22.
  • the stack 44 may be a thickness less than ⁇ ⁇ , preferably less than or equal to 10 m, It should be noted that depending on the tightness of the silicone layer 42 may be provided the addition of an encapsulation layer serving as moisture and oxygen barrier between the layer 42 and the layer 43.
  • This encapsulation layer may for example be a biocompatible metal layer, for example titanium, with a thickness of between 1 m and 100 m and preferentially 10pm, or a stack alternating layers of polymer and layers of metai biocompatible, E! the may also be composed of an alternation of metal layers provided that the layer in contact with the silicone layer 42 is biocompatible. It will thus be possible to use a stack of titanium / aluminum layers. It should be noted that the various layers mentioned above can also be transferred / transferred onto substrates by layer transfer techniques, for example by a rolling process using an adhesive material.
  • the next step 35 aims to form a tubular structure from the assembly shown in FIG. 5.
  • the stack 51 is composed of the substrate 41, the insulating layer and biocompatibie 42 and the diffusion barrier 43.
  • the stack 51 and the stack 44 of the layers making up the micro-battery are drawn through a profile 52.
  • the tubular structure thus formed has a slot 61 through which the assembly 20 consisting of the inner conductor 21, the insulator 23 and the outer conductor 22 can be introduced before performing step 37 Only part of the light 61 will be occupied by the assembly consisting of the inner conductor 21, the insulator 23 and the outer conductor 22, the other part being empty.
  • One possible method of introducing the conductors 20 inside the tubular structure is to position the conductors on the assembly 51/44 then to pass the assembly in the section 52. This method is illustrated in FIG.
  • Step 36 makes it possible to render the tubular structure shown in FIG. 7 impervious to polymer leakage by means of a heat-shrinkable sheath 71 disposed on the external part of the stack 51 facing the metal strip 41.
  • the configuration presented Figure 8 was obtained after heating the sheath allowing the latter to be fully in accordance with the metal strip 41 and thus avoid possible polymer leakage through the metal strip.
  • Step 37 consists in injecting a polymer 81 via, for example, a syringe in order to fill the void 61 (FIG. 9).
  • a polymer 81 may be used, including silicone elastomer such as that sold by Nusil technology and known under the trade name MED-4755 or MED-4770.
  • the heat-shrinkable sheath 71 is removed mechanically by peeling, for example at using a scalpel.
  • the final step 38 consists of removing the metal strip 41 which was used as a substrate for the production of the micro-battery 44.
  • an etching process for example by means of a heated solution.
  • base of nitric acid HNO 3 , hydrochloric acid HCl and distilled water for example the concentrations of HNO 3 may vary between 5% and 50% preferably of the order of 20% and the concentrations of HCl may vary between 1% and 40%, preferably of the order of 10%.
  • the temperature of the solution may be between 70 ° C. and 95 ° C. and preferably be about 90 ° C. This is a solution allowing the selective etching of the metal strip 41 with respect to the biocompatibility and insulating layer 42.
  • a storage and energy transport system according to the invention is obtained, as shown in section in FIG. 10.
  • This system is in the present case in the form of an electrode probe composed of an electric cable with a coaxial structure for transporting electrical energy and a part for storing electrical energy surrounded by an insulating and biocompatible sheath.
  • Such a probe may in particular have a diameter of between 1 mm and 5 mm, preferably 2 mm and a length of between 20 cm and 80 cm, preferably 45 cm.
  • the component stack the microbattery disposed on the entire length of the electrode probe this corresponds to a developed surface area of approximately 3 cm 2 and 63 cm 2 preferably 15cm 2.
  • Such a device allows charging frequencies that are not too restrictive for the patient to know according to the micro-battery surface developed between 12 days and 264 days, preferably 63 days.
  • FIG. 11 illustrates an alternative embodiment of the invention, in which the electrical cable 20 is replaced by an optical fiber or an optical cable 20 '(whose structure, conventionally comprising a core, an optical cladding and a sheath protection, is not illustrated for the sake of simplicity) for the transport of electromagnetic energy at optical frequencies.
  • Electrode probes One of the essential properties of electrode probes is the high flexibility allowing for significant elongations and flexures without breaking.
  • the movements of the human body can cause elongations and flexions of the electrode probes up to 15%.
  • the polymer sheaths used to coat the electrical conductors can tolerate deformations greater than 500%, which is far above the recommendations.
  • electrical conductors are designed to withstand such deformations.
  • thin-film batteries such as those presented in the invention are extremely flexible and respond in terms of flexion to the recommendations for use. For example, see the article by M. Koo et al., Nano Lett, 2012, 12 (9), pp 4810-4816. However, the behavior of these batteries when subjected to elongation has not been studied. In order to overcome these problems two variants of the invention are proposed:
  • the first variant illustrated in FIG. 14, consists in producing the electrode probe 141 in the form of a spiral (such as a spring) with turns whose diameter is sufficient to ensure an elongation of 15%.
  • a spiral such as a spring
  • an elongation of 15% corresponds to an increase in length of about 7cm.
  • an electrode probe made from a spiral wound cable For example, a spiral consisting of 150 turns of 500 ⁇ diameters and 30 cm long (when the turns are contiguous) which can reach 52 cm (when the turns are fully unwound).
  • the second variant proposed is based on the strong éiongation allowed by polymers.
  • the embodiment proposed here is shown in FIGS. 12 and 13. It requires a modification of the architecture during steps 33 and 34.
  • a metal strip 41 is used as a substrate.
  • a biocompatibility and insulating layer 42 is deposited on the metal foil 41.
  • the barrier layer 43 and the stack 44 of layers used to form the micro-battery are located on the foil 41 and are referenced 91 and 92 in Figure 12.
  • these micro-batteries can be connected in series or in parallel in a monolithic manner by using different mechanical masks during the deposition of different layers or different etching processes. Steps 35, 36, 37 and 38 are identical to the main embodiment.
  • the final result (before removal of the substrate 41) is shown in FIG.
  • the outside of the probe is composed of the biocompatible and insulating layer 42 and the dashed areas 101 identify the location of the micro-batteries spaced a distance 93 (in the diagram of FIG. 13 the zones 101 are seen by transparency through the biocompatible and insulating layer 42).
  • the purpose of this embodiment is to obtain portions of the electrode probe of different Young's modules, and more specifically this embodiment aims that the Young's modulus of the zones 101 occupied by the micro-batteries is higher than the zones without micro-batteries.
  • the biocompatible and insulating layer 42 an elastomeric silicone such as that sold by Nusil technology and known under the trade name MED-4755 whose Young's modulus is approximately 10 MPa, it is possible to deduce a Young's modulus.
  • Zone 101 (composed of the biocompatibility layer and insulating 42 and the stack making up the micro-battery) which would be about 6.3 GPa.
  • the material having the lowest Young's modulus will be the first to elongate, it is possible to define a minimum distance 93 separating two successive zones 101 so as not to have a break at the level of the zones 101 for an elongation of 15%.
  • the maximum elongation of the MED-4755 being greater than 900%, and taking the previous example of a 45 cm electrode probe that can lengthen by 15%, it would be necessary to have a buffer zone separating two zones 101 at least 8 mm.
  • This buffer zone can also be divided into several buffer zones of reduced lengths, for example 10 buffer zones of 0.8 mm.
  • the external electrical conductor 22 may be a thin film deposited in a localized manner or not (all of your surface) on the stack 44.
  • the insulator 23 may be deposited in a thin layer.
  • a thin layer of parylene may be deposited, the thickness of which will be between pm and 50 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m.
  • the inner electrical conductor 21 may be a thin film deposited in a localized manner or not (all of the surface) on the stack 44.
  • the nature of the thin layer forming the inner electrical conductor 21 may be identical or not to that of the driver 22. This may be a thin layer based on titanium, gold or aluminum with a thickness of between 500 nm and 10 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m. Similarly, the insulator 23 may be deposited in a thin layer. A combination of these 3 solutions may be considered. To complete the structure, steps 35, 36, 37 and 38 will not be changed.
  • an electrode probe 140 can be connected to a biomedical apparatus such as a stimulator, comprising a sealed casing 110 inside which is disposed an electronic circuit 130 such as a pulse generator electrical means for delivering electrical pulses calibrated in frequency and amplitude.
  • the device may also include a energy recovery system 170, also implanted, such as a small photovoltaic module.
  • This photovoltaic module may be composed of a number of cells ranging from 2 to 10 depending on the voltage to be supplied and depending on the material component of the mini photovoltaic module.
  • a mini photovoltaic module in Culn 1-x Ga x (Sei-y, Sy) 2 (CiGS) and an operating voltage of 3V we can realize a mini module composed of 5 cells connected in series.
  • this mini-surface module 1 cm 2 is illuminated through the skin by an infrared light source of a power of 50mW / cm 2 , the load a micro-battery of 15cm 2 and capacity 1 mAh / cm 2 can be done in about 1 hour.
  • this mini module can be made on a flexible substrate and the total thickness (substrate and active layers) can be less than 100 ⁇ .
  • the probe-electrode 140 and the photovoltaic module of 1 cm 2 can replace a massive primary battery around 10 cm 3 .
  • This system will also have the advantage of being rechargeable.
  • the probe-electrode 140 will also perform its conventional function of transporting electrical signals generated by the electronic circuit 130 to an electrode 150, or an electrode assembly, for applying these signals to a biological tissue (or, conversely , transporting bioelectric signals sensed by said electrode to an acquisition and detection circuit).
  • the electronic circuit in this case an electric pulse generator, can be miniaturized to occupy an area of less than 1 cm 2 , as described for example in the article "A very low-power CMOS mixed-signal IC for implantable pacemaker applications ", LSY Wong et al., iEEE Journal of Solid-state circuits 39, 2446 (2004).
  • the complete device according to the present invention (consisting of the surface pulse generator less than 1 cm 2 , the mini photovoltaic module with a surface area of 1 cm 2 , and the probe-electrode performing a function of energy storage) will have a significantly reduced footprint, compared to known devices in the prior art (consisting of a pulse generator, a massive primary battery of 10 cm 3 integrated in the same object as the pulse generator, and a conventional electrode probe). It should be noted that an additional battery may also be provided - conventionally - inside the housing 110. But, of course, its dimensions will be smaller than it should have to ensure the storage function alone. 'energy.
  • a variant already mentioned above with reference to FIG. 11, consists in using an optical fiber in place of the flexible and tubular electrical conductor (s) 21 and 22, which makes it possible to transport light energy to a generator electrical pulses integrated in the electrode 150 or to the outside.

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Abstract

Système de stockage et de transport d'énergie comprenant un câble (20) de transport d'énergie électromagnétique ainsi qu'au moins une micro-batterie solide à couches minces (44) agencée sur une surface extérieure dudit câble. Dispositif biomédical implantable comprenant un tel système de stockage et de transport d'énergie, servant à la fois de batterie et de sonde- électrode. Procédé de fabrication d'un tel système de stockage et de transport d'énergie.

Description

SYSTEME DE STOCKAGE ET DE TRANSPORT D'ENERGIE, NOTAMMENT POUR UN DISPOSITIF IMPLANTABLE, ET SON PROCEDE
DE FABRICATION
L'invention porte sur un système de stockage et de transport d'énergie, notamment pour un dispositif biomédical impiantable tel qu'un stimulateur ou un capteur. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un tel système et sur un dispositif impiantable le comprenant.
Afin d'assurer l'alimentation électrique de dispositifs biomédicaux implantables (parmi lesquels on peut citer par exemple les stimulateurs cardiaques, les neurostimulateurs, les capteurs biomédicaux) une batterie primaire est classiquement utilisée. Outre l'encombrement important de cette batterie, la durée de vie relativement faible comparée à la durée de vie d'un patient implique la nécessité de mettre en place des moyens alternatifs. Parmi ces moyens alternatifs l'utilisation d'une batterie secondaire implantée rechargée par l'intermédiaire d'un dispositif de récupération d'énergie de type bobine (recharge par induction électromagnétique), transducteur ultrasonore (recharge par ultrasons) ou encore cellule photovoltaïque (recharge par lumière proche infrarouge) est envisagée. Ce type de dispositif présente l'avantage de ne pas nécessiter d'intervention chirurgicale pour remplacer la batterie primaire une fois déchargée. En effet, moyennant une recharge périodique des batteries secondaires par l'intermédiaire des dispositifs de récupération d'énergie citées précédemment, la durée de vie de ce type de dispositifs permet de s'approcher de celle des patients.
Le document WO 98/00107 divulgue l'utilisation, dans un dispositif impiantable de délivrance de médicaments, d'une batterie rechargeable de type « micro-batterie ». On entend par « micro-batterie » une batterie solide (c'est-à-dire entièrement à l'état solide) constituée de couches minces, telle que décrite par exemple par Jones et al. Journal of Power Sources, 1995, 54, 63-67. Dans la suite on identifiera aussi ces composants par l'expression « micro-batteries solides à couches minces ». Ces micro- batteries sont extrêmement fines (épaisseur généralement inférieure à 100 pm, la partie active pouvant être inférieure à 0pm), ce qui leurs confère une flexibilité mécanique que n'ont pas les batteries plus massives rencontrées classiquement dans le domaine biomédical, comme par exemple les batteries lithium-iode. Cependant, du fait même de leur faible épaisseur, les capacités de ces micro-batteries sont relativement limitées (de l'ordre de 1 mAh/cm2). L'utilisation de telles micro-batteries dans des dispositifs implantés contraint les dispositifs à de faibles autonomies. Certes, i! est connu de l'homme de l'art que la connexion électrique en parallèle de plusieurs de ces micro-batteries permet d'augmenter la capacité totale du dispositif. Toutefois, afin de conserver leur flexibilité, ces micro-batteries ne peuvent être empilées les unes sur les autres mais doivent être assemblées les unes à côté des autres. Ceci implique une augmentation de l'encombrement du dispositif puisque pour atteindre des capacités suffisamment élevées la surface développée par les micro-batteries peut rapidement devenir importante. Ainsi on peut citer comme exemple pour des dispositifs biomédicaux de type stimulateurs cardiaques consommant en moyenne 30μ\Λ/ (pour une tension d'environ 3V), la nécessité d'avoir des capacités comprises entre 10mAh et 50mAh, préférentiellement 20m Ah, nécessitant une surface de micro-batteries comprise entre 10cm2 et 50cm2 préférentiellement 20cm2, permettant des fréquences de recharge qui ne soient pas trop contraignantes pour le patient, à savoir entre 42 jours et 210 jours préférentiellement 84 jours. De telles surfaces, occupées par des objets non biologiques destinés à être implantés, restreignent considérablement le nombre de zones du corps humain dans lesquelles une implantation est envisageable, et peuvent poser des problèmes de confort et d'esthétisme pour le patient. De plus un objet implanté de grande surface peut entraîner une mauvaise vascularisation des tissus biologiques et par là même une nécrose de ces tissus. Par contre, l'utilisation de microbatteries dont la surface est aussi petite que 1cm2 nécessite des fréquences de recharge trop contraignantes pour le patient puisque dans le cadre de l'exemple cité précédemment il serait nécessaire de les recharger tous les 4 jours. L'invention vise à résoudre les inconvénients précités de l'art antérieur.
Pour résoudre ce problème, les inventeurs sont partis du constat que de nombreux dispositifs biomédicaux implantables comprennent un boîtier contenant un circuit électronique {par exemple un générateur d'impulsions), et un câble (ou « sonde-électrode ») reliant ce boîtier à une électrode ou ensemble d'électrodes destiné à rentrer en contact avec un tissu biologique. De manière conventionnelle, la batterie est placée dans le boîtier qui contient le circuit électronique, ce qui pose les problèmes d'encombrement discutés plus haut. Les présents inventeurs se sont rendu compte qu'une ou plusieurs micro-batteries à couches minces peuvent être localisées dans la sonde-électrode - de préférence sous la forme d'une gaine entourant le câble - sans qu'il soit nécessaire d'augmenter significativement le volume de cette dernière.
Cette solution a été développée dans le contexte spécifique des dispositifs impîantable, mais présente une portée plus générale. L'association d'un câble (électrique ou optique) et d'une ou plusieurs microbatteries peut en effet se prêter à de nombreuses autres applications, à chaque fois que des considérations d'encombrement s'avèrent critiques.
Un objet de l'invention est donc un système de stockage et de transport d'énergie comprenant un câble de transport d'énergie électromagnétique ainsi qu'au moins une micro-batterie solide à couches minces agencée sur une surface extérieure dudit câble.
Selon différents modes de réalisation d'un tel système :
- Ladite ou iesdites micro-batteries solides à couches minces peuvent entourer ledit câble.
Ledit câble peut être un câble coaxial, le système comprenant : un premier conducteur dit intérieur, une première couche isolante entourant ledit conducteur intérieur, un deuxième conducteur dit extérieur entourant ladite première couche isolante, une deuxième couche isolante entourant ledit conducteur extérieur et au moins une dite micro- batterie solide à couches minces de forme tubulaire entourant ladite deuxième couche isolante.
Alternativement, ledit câble peut être un câble ou une fibre optique entouré par au moins une dite micro-batterie solide à couches minces de forme tubulaire.
Le système peut comporter une couche isolante entourant ou recouvrant ladite ou lesdites micro-batteries solides à couches minces. Dans ce cas, le système peut comporter une pluralité de micro-batteries solides à couches minces espacées dans une direction longitudinale (ou axiale) dudit câble et reliées entre elles par une même couche isolante qui les entoure ou recouvre, ladite couche isolante présentant un module élastique inférieur à celui desdites micro-batteries.
En variante ou en complément, ledit câble peut être enroulé en spirale.
Un autre objet de l'invention est un dispositif biomédical implantabie comprenant :
un boîtier contenant un circuit électronique de génération ou détection de signaux ;
une électrode ou ensemble d'électrodes pour appliquer à un tissu biologique au moins un signal électrique, ou pour capter au moins un signal électrique généré par un tel tissu ; et
un système de stockage et de transport d'énergie tel que décrit ci-dessus reliant ledit boîtier et ladite électrode ou ensemble d'électrodes, dans lequel : ledit câble est connecté pour transmettre au moins un signal dudit circuit électronique à ladite électrode ou ensemble d'électrodes ou vice-versa, et ladite ou lesdites micro-batteries solides à couches minces sont connectées pour alimenter ledit circuit électronique.
Avantageusement, un tel dispositif biomédical peut comprendre également un dispositif de récupération d'énergie connecté pour recharger ladite ou lesdites micro-batteries solides à couches minces. Encore un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un système tel que décrit plus haut, comprenant ies étapes suivantes :
a) déposer, sur un substrat flexible, un empilement de couches minces formant une micro-batterie solide ;
b) former une structure tubulaire à partir dudit substrat et dudit empilement de couches minces, un câble de transport d'énergie électromagnétique étant agencé à l'intérieur de ladite structure tubulaire et un espace vide étant ménagé entre ledit câble et ladite structure tubulaire ;
c) injecter et durcir un matériau isolant à l'intérieur de ladite structure tubulaire, de manière à combler ledit espace vide ; et
d) supprimer par gravure ledit substrat flexibie.
Selon différents modes de réalisation d'un tel procédé :
Ledit substrat flexible peut être un feuillard métallique.
Ladite étape a) peut comprendre ie dépôt d'une couche isolante entre ledit substrat flexible et ledit empilement de couches minces et, iors de la dite étape d), ladite couche isolante peut ne pas être supprimée.
Ledit substrat flexible peut présenter une forme en ruban, auquel cas ladite étape b) peut être réalisée en positionnant ledit câble sur la surface dudit empilement de couches minces formant une micro-batterie solide ; puis en enroulant ledit substrat flexible et ledit empilement de couches minces autour dudit câble. Avantageusement, ledit substrat flexible peut être enroulé en le faisant passer, avec ledit câble, dans un profilé.
Ladite étape c) peut comprendre les opérations suivantes :
d ) agencer une gaine thermo-rétractable autour de ladite structure tubulaire ;
c2) provoquer la rétractation de ladite gaine thermorétractable autour de ladite structure tubulaire ;
c3) injecter un polymère durcissable dans l'espace vide entre ledit câble et ladite structure tubulaire ;
c4) provoquer le durcissement dudit polymère ; et c5) éliminer par pelage ladite gaine.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortîront à ia lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
La figure 1 , un dispositif implantable de stimulation électrique connu de l'art antérieur ;
La figure 2, une vue en section d'une sonde-électrode connue de l'art antérieur pour un tel dispositif implantable ;
La figure 3, un ordinogramme d'un procédé de fabrication d'un système de stockage et de transport d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 4, une vue en section d'un câble coaxial obtenu comme produit intermédiaire du procédé de îa figure 3 ;
La figure 5, un ensemble comprenant un empilement de couches minces formant une micro-batterie solide sur un substrat flexible, obtenu comme produit intermédiaire du procédé de ia figure 3 ;
La figure 6, une étape du procédé de la figure 3 comportant l'enroulement de l'ensemble de ia figure 5 pour former une structure tubutaire ;
- Les figures 7, 8 et 9, des vues en sections de trois produits intermédiaires du procédé de la figure 3, obtenus à l'issue d'étapes successives de ce procédé ;
La figure 10, une vue en section d'un système de stockage et de transport d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention, obtenu par le procédé de la figure 3 ;
La figure 11 , une vue en section d'un système de stockage et de transport d'énergie selon un autre mode de réalisation de l'invention, obtenu par le procédé de la figure 3 ;
Les figures 12 et 13, respectivement, une vue en section et en plan d'un ensemble comprenant un empilement de couches minces formant une pluralité de micro-batteries solides espacées dans une direction longitudinale et reliées entre elles par une même couche isolante, servant à la réalisation d'un système de stockage et de transport d'énergie selon un mode de réalisation alternatif de l'invention ;
La figure 14, un système de stockage et de transport d'énergie selon un autre mode de réalisation alternatif de l'invention ; et
- La figure 15, un dispositif implantabie comprenant un système de stockage et de transport d'énergie selon l'invention.
La figure 1 représente un dispositif implantabie selon l'art antérieur de type stimulateur, tel qu'un stimulateur cardiaque, du nerf vague ou neurostimulateur. Un tel dispositif comprend typiquement :
- un boîtier hermétiquement fermé 1 généralement en titane comprenant une source d'énergie 12 (rechargeable ou non) et une électronique 13 permettant de délivrer des impulsions électriques calibrées en fréquence et en amplitude.
une électrode (ou ensemble d'électrodes) 15 disposée en contact avec un tissu 16 à stimuler ; l'électrode peut être réalisée par exemple en acier inoxydable, en nitrure de platine recouvert de piatine ou encore en alliage de platine iridium recouvert de platine ; et
une ou plusieurs sondes-électrodes 14 permettant de relier le boîtier à l'électrode 15.
La figure 2 montre une vue en coupe d'une sonde-éiectrode
14 classiquement utilisée dans ce genre de dispositifs. La sonde-électrode 14 est composée d'un ou plusieurs conducteurs électriques souples tabulaires enveloppés dans une gaine isolante. Dans le cadre d'une sonde-électrode unipolaire (non présentée ici), cette gaine isolante est généralement en silicone de qualité médicale assurant la biocompatibilité et l'isolation électrique entre le conducteur électrique et les tissus biologiques. Dans le cas d'une sonde-électrode bipolaire, présentée sur la figure 2, un premier conducteur électrique souple tubulaire 21 (que l'on nommera conducteur intérieur) est séparé d'un second conducteur électrique souple tubulaire 22 (que l'on nommera conducteur extérieur) par un isolant 23 généralement à base de polyéthylène permettant d'isoler électriquement le conducteur intérieur 21 du conducteur extérieur 22, de manière à former une structure de type câble coaxial. La partie externe du conducteur extérieur 22 est recouverte d'une gaine en silicone 24 de qualité médicale assurant ia biocompatibilité et l'isolation électrique entre le conducteur électrique et tes tissus biologiques. Pour !a gaine 24 on préférera dans certains cas le polyuréthane à la silicone, permettant une mise en p!ace plus aisé de la sonde-électrode 14. Cependant, la tenue mécanique du polyuréthane étant inférieure à celle de !a silicone, il ne pourra être utilisé que pour des implants de moyenne durée (inférieure à 10 ans). Le diamètre extérieur d'une telle sonde-électrode peut être compris entre 1 et 5mm et être préférentielîement de l'ordre de 2mm. La longueur d'une telle sonde-éiectrode est typiquement comprise entre 20 et 80cm, et peut valoir préférentielîement 45cm.
Comme expliqué plus haut, la présente invention prévoit de fonctionnaliser la sonde électrode 14 en lui attribuant une fonction de stockage d'énergie, en plus de sa fonction traditionnelle de transport d'énergie, sans pour autant augmenter de façon considérable son épaisseur totale.
La figure 3 présente les étapes d'un procédé de fabrication d'un système de stockage et de transport d'énergie selon l'invention.
Comme présentée sur la figure 4, l'étape initiale 31 consiste en l'isolation du conducteur intérieur 21 à l'aide d'un isolant 23. Cet isolant est généralement à base de polyéthyiène ou de silicone et il est formé autour du conducteur intérieur 21 par trempage dudit conducteur intérieur 21 dans ie dit isolant se trouvant à l'état liquide. Lors du retrait du conducteur intérieur 21 du bain contenant l'isolant en fusion, un isolant 23 contrôlé en épaisseur est formé autour du conducteur intérieur 21. En effet, en fonction des vitesses de retrait il est possible de contrôler l'épaisseur de l'isolant 23 entourant le conducteur intérieur 21 et des épaisseurs comprises entre 100pm et 1mm préférentielîement d'environ 500pm sont souhaitées. L'étape suivante 32 prévoit la mise en place du conducteur extérieur 22. Plusieurs méthodes permettant la mise en place du conducteur extérieur 22 existent et sont bien connus de l'homme de l'art. Pour des raisons de simplicité on ne considérera ici qu'une configuration relativement simple consistant à enrouler le conducteur extérieur 22 autour de l'isolant 23.
Ces étapes, qui conduisent à la formation d'un câble 20 à structure coaxiale, peuvent être omises si un câble du commerce est utilisé. Elles peuvent aussi être modifiées si l'on souhaite réaliser un câble présentant une structure non coaxiale, ou présentant plus de deux conducteurs.
L'étape suivante 33 concerne la préparation du substrat avant la réalisation de la micro-batterie comme présentée sur la figure 5. Pour ce faire on utilise, à titre d'exemple non limitatif, un feuillard métallique 41 comme substrat. Le matériau composant le feuillard métallique pourra être du molybdène ou de l'aluminium, par exemple, ou tout autre métal pouvant être gravé à l'aide d'une solution acide. Avantageusement, l'épaisseur du feuillard sera comprise entre 10pm et 50Όμιη, préférentiellement entre 25pm et ΙΟΌμιη et par exemple 50pm, Une couche isolante et biocompatibie 42 est déposée sur la totalité de la surface (aussi bien en longueur qu'en largeur) du feuillard métallique 41 ; on pourra par exemple utiliser du parylène, du polyéthyiène, du polyuréthane, de la silicone ou tout autre matériau isolant et biocompatibie. Avantageusement, l'épaisseur de cette couche 42 est comprise entre 10pm et 500pm préférentiellement entre 50pm et 200 pm et par exemple 100pm. Sur la totalité de la surface de cette couche isolante et biocompatibie 42 est déposée une couche barrière 43, destinée à empêcher la diffusion du lithium. On pourra utiliser par exemple du nitrure de tantale ou du nitrure de titane déposé par dépôt par couche atomique (ALD). Il est à noter que le nitrure de tantale et le nitrure de titane sont tous les deux des matériaux biocompatibles. Dans le cas de l'utilisation d'une couche barrière non biocompatibie la couche 43 pourra être composée d'un empilement comprenant un matériau biocompatible (en lien avec l'extérieur du dispositif via la couche 42) et un matériau non biocompatibie servant de barrière à proprement parlé. Avantageusement, l'épaisseur de la couche 43 est comprise entre 0nm et 100nm préférentiellement 50nm. L'empilement 44 de couches déposées sur la totalité de la surface de la couche barrière 43 correspond à la réalisation de l'étape 34 et comprend des matériaux collecteurs de courant (métaux), des matériaux pour former des cathodes (TiOxSy, LiCoO2, LiMn204, LiFePO4, V2O5, etc.), des matériaux pour former des éiectrolytes (électrolytes solides tel que ie LiPON, qui est un matériau à base de lithium, phosphore, oxygène et azote), et des matériaux pour former des anodes (U, ou alliage de Li avec C, Si, Ge, Sn). L'empilement 44 des couches peut présenter une structure et une composition différente, mais doit en tout cas inclure un collecteur de courant cathodique, un collecteur de courant anodique, une cathode, une anode et un électrolyte servant de canal ionique entre la cathode et l'anode et permettant une réaction électrochimique. Les matériaux composant l'empilement pourront par exemple être choisis en fonction de la tension désirée pour l'application. On pourra donner comme exemple de réalisation de l'empilement 44 la structure présentée par Fleutot et al., Journal of Power Sources 196 (2011) 10289-10296. il s'agit d'une micro-batterie « tout solide » composé d'un collecteur de courant cathodique et anodique en tungstène déposé par pulvérisation cathodique, d'une électrode positive en TiOS déposée par pulvérisation cathodique, d'un électrolyte solide LiPONB déposé par pulvérisation cathodique réactive et d'une électrode positive en Li métallique déposée par évaporation thermique. La micro-batterie est protégée de l'humidité et de l'oxygène par une encapsulation obtenue en alternant des couches de polymère et des couches de métai obtenues par dépôt chimique en phase vapeur et pulvérisation cathodique, respectivement. Avantageusement, dans le cadre de l'invention, l'empilement 44 pourra être terminé par un polymère isolant afin qu'il n'y ait pas de contacts électriques entre ia micro-batterie et le conducteur extérieur 22. Avantageusement, l'empilement 44 pourra avoir une épaisseur inférieure à Ι ΟΌμηι, préférentiellement inférieure ou égale à 10 m, Il est à noter qu'en fonction de l'étanchéité de la couche de silicone 42 on pourra prévoir l'ajout d'une couche d'encapsulation servant de barrière à l'humidité et à l'oxygène entre la couche 42 et la couche 43. Cette couche d'encapsulation pourra par exemple être une couche métallique biocompatibie, par exemple en titane, d'épaisseur comprise entre 1 m et 100 m et préférentiellement 10pm, ou bien un empilement alternant des couches de polymère et des couches de métai biocompatible, E!le pourra également être composée d'une alternance de couches métalliques à condition que la couche en contact avec la couche de silicone 42 soit biocompatible. On pourra ainsi utiliser un empilement de couches titane/aluminium. Π est à noter que les différentes couches évoquées précédemment peuvent être également transférées/reportées sur des substrats par des techniques de transfert de couches, par exemple par un procédé de laminage à l'aide d'un matériau adhésif.
L'étape suivante 35 a pour but de former une structure tubuiaire à partir de l'ensemble présenté sur la figure 5. Pour des raisons de clarté, sur la figure 6 l'empilement 51 est composé du substrat 41 , de la couche isolante et biocompatibie 42 et de la barrière de diffusion 43. Afin de former la structure tubuiaire, l'empilement 51 et l'empilement 44 des couches composant la micro-batterie sont tirés au travers d'un profilé 52.
Comme illustré par la figure 7, la structure tubuiaire ainsi formée présente une lumière 61 à travers de laquelle l'ensemble 20 constitué du conducteur intérieur 21 , de l'isolant 23 et du conducteur extérieur 22 pourra être introduit avant de réaliser l'étape 37. Seule une partie de la lumière 61 sera occupée par l'ensemble constitué du conducteur intérieur 21 , de l'isolant 23 et du conducteur extérieur 22, l'autre partie étant vide. Une méthode possible d'introduire les conducteurs 20 à l'intérieur de la structure tubuiaire consiste à positionner les conducteurs sur l'ensemble 51/44 puis à faire passer l'ensemble dans le profilé 52. Cette méthode est illustrée sur la figure 5.
L'étape 36 permet de rendre la structure tubuiaire présentée sur la figure 7 étanche aux fuites de polymère à l'aide d'une gaine thermorétractable 71 disposée sur la partie externe de l'empilement 51 en regard du feuillard métallique 41. La configuration présentée sur la figure 8 a été obtenue après chauffage de la gaine permettant à cette dernière d'être totalement conforme au feuillard métallique 41 et d'éviter ainsi d'éventuelles fuites de polymère au travers du feuillard métallique.
L'étape 37 consiste à injecter un polymère 81 par l'intermédiaire par exemple d'une seringue afin de combler le vide 61 (figure 9). Différents types de polymère 81 pourront être utilisés, et notamment de la silicone éiastomère comme celle vendue par Nusil technologie et connue sous la dénomination commerciale MED-4755 ou MED-4770. Une fois le polymère 81 injecté et durci par traitement thermique (le traitement thermique permettant le durcissement du polymère étant propre à chaque produit il devra être adapté en conséquence), la gaine thermo-rétractable 71 est retirée mécaniquement par pelage, par exemple à l'aide d'un scalpel.
L'étape finale 38 consiste à supprimer le feuillard métallique 41 qui servait de substrat à la réalisation de la micro-batterie 44, Pour ce faire on peut notamment avoir recours à un procédé de gravure, par exemple au moyen d'une solution chauffée à base d'acide nitrique HNO3, d'acide chlorhydrique HCI et d'eau distillée, A titre d'exemple les concentrations en HNO3 pourront varier entre 5% et 50% préférentiellement de l'ordre de 20% et les concentrations en HCI pourront varier entre 1 % et 40% préférentiellement de l'ordre de 10%. La température de la solution pourra être comprise entre 70°C et 95°C et préférentiellement être d'environ 90°C. Il s'agit là d'une solution permettant ia gravure sélective du feuillard métallique 41 par rapport à la couche biocompatibie et isolante 42.
Une fois l'étape 38 accomplie, l'on obtient un système de stockage et de transport d'énergie selon l'invention tel qu'illustré, en coupe, sur la figure 10. Ce système se présente en l'espèce sous la forme d'une sonde-éiectrode composée d'un câble électrique à structure coaxiale permettant un transport d'énergie électrique et d'une partie permettant le stockage d'énergie électrique entourée d'une gaine isolante et biocompatible. Une telle sonde peut notamment avoir un diamètre compris entre 1mm et 5mm préférentiellement 2mm et une longueur comprise entre 20cm et 80cm préférentiellement 45cm. Ainsi, l'empilement composant la micro-batterie étant disposé sur l'ensemble de la longueur de la sonde électrode, cela correspond à une surface développée comprise approximativement entre 3 cm2 et 63cm2 préférentiellement 15cm2. Un tel dispositif permet des fréquences de recharge qui ne soient pas trop contraignantes pour le patient à savoir en fonction de la surface de micro-batterie développée entre 12 jours et 264 jours préférentiellement 63 jours.
La figure 11 illustre un mode de réalisation alternatif de l'invention, dans lequel le câble électrique 20 est remplacé par une fibre optique ou un câble optique 20' (dont la structure, comprenant de manière conventionnelle un cœur, une gaine optique et une gaine de protection, n'est pas illustrée dans un souci de simplicité) permettant un transport d'énergie électromagnétique à fréquences optiques.
Une des propriétés essentielles des sondes-électrodes est l'importante flexibilité permettant des élongations et flexions importantes sans rupture. Les mouvements du corps humain peuvent engendrer des élongations et des flexions des sondes-électrodes allant jusqu'à 15%. Or les gaines polymères utilisées pour enrober les conducteurs électriques peuvent tolérer des déformations supérieures à 500%, ce qui est largement au-dessus des recommandations. De même, les conducteurs électriques sont conçus pour supporter de telles déformations. Cependant dans le cadre de la présente invention il est nécessaire que les couches composant la micro- batterie résistent à de telles déformations. I! est connu de l'homme de l'art que les batteries en couches minces comme celles présentées dans l'invention sont extrêmement flexibles et répondent en termes de flexions aux recommandations d'usages. On pourra par exemple se référer à l'article de M. Koo et al., Nano Lett, 2012, 12 (9), pp 4810-4816. Toutefois, le comportement de ces batteries une fois soumises à élongation n'a pas été étudié. De façon à s'affranchir de ces problèmes deux variantes à l'invention sont proposées :
- La première variante, illustrée sur la figure 14, consiste à réaliser ia sonde électrode 141 sous la forme d'une spirale (tel un ressort) avec des spires dont le diamètre est suffisant pour assurer une élongation de 15%. Ainsi sur une sonde électrode d'une longueur de 45cm une élongation de 15% correspond à une augmentation de longueur d'environ 7cm. Il suffit alors d'utiliser une sonde électrode réalisée à partir d'un câble enroulé en spirale. On peut utiliser par exemple une spirale composée de 150 spires de 500 μηι de diamètres et longue de 30 cm (lorsque les spires sont accolées) qui pourra atteindre 52 cm (lorsque ies spires sont totalement déroulées).
- La seconde variante proposée repose sur la forte éiongation permise par les polymères. Le mode de réalisation proposé ici est présenté sur les figures 12 et 13. Elle nécessite une modification de l'architecture lors des étapes 33 et 34.
Comme précédemment, un feuillard métallique 41 est utilisé comme substrat. Comme précédemment, une couche biocompatibie et isolante 42 est déposée sur le feuiliard métallique 41. Cependant dans ce mode de réalisation la couche barrière 43 ainsi que l'empilement 44 de couches servant à former la micro-batterie sont localisées sur ie feuiilard 41 et sont référencées 91 et 92 sur la figure 12. Ainsi plusieurs micro-batteries indépendantes espacées d'une distance 93 seront réalisées le long du substrat. Il est connu de l'homme de l'art que ces micro-batteries pourront être reliées en série ou en parallèle de façon monolithique en utilisant différents masques mécaniques pendant les dépôts des différentes couches ou différents procédés de gravure. Les étapes 35, 36, 37 et 38 sont identiques au mode de réalisation principal. Le résultat final (avant élimination du substrat 41 ) est présenté sur ia figure 12,
L'extérieur de la sonde est composé par la couche biocompatible et isolante 42 et les zones en pointillés 101 identifient l'emplacement des micro-batteries espacées d'une distance 93 (sur le schéma de la figure 13 les zones 101 sont vue par transparence au travers de la couche biocompatible et isolante 42). Le but de ce mode de réalisation est d'obtenir des portions de !a sonde électrode de modules d'Young différents et plus précisément ce mode de réalisation vise à ce que le module d'Young des zones 101 occupées par les micro-batteries soit supérieur à celui des zones sans micro-batteries. En prenant comme exemple pour la couche biocompatibie et isolante 42 une silicone éîastomère comme celui vendu par Nusil technologie et connu sous ia dénomination commerciale MED-4755 dont le module d'Young est d'environ 10MPa il est possible de déduire un module d'Young effectif pour la zone 101 (composée de la couche biocompatibie et isolante 42 et de l'empilement composant la micro-batterie) qui serait d'environ 6,3 GPa. Ainsi, dans le cas d'une élongation, le matériau ayant le module d'Young le plus faibie sera le premier à s'allonger, 11 est possible de définir une distance 93 minimale séparant deux zones 101 successives afin de ne pas avoir de rupture au niveau des zones 101 pour une élongation de 15%. L'élongation maximale du MED-4755 étant supérieure à 900%, et en reprenant l'exemple précédent d'une sonde électrode de 45 cm pouvant s'allonger de 15%, il serait nécessaire d'avoir une zone tampon séparant deux zones 101 d'au moins 8 mm. On peut également répartir cette zone tampon en plusieurs zones tampons de longueurs réduites comme par exemple 10 zones tampons de 0,8mm.
Dans un mode de réalisation visant à diminuer le diamètre global de la sonde électrode il est possible que le conducteur électrique extérieur 22 soit une couche mince déposée de façon localisée ou non (totalité de ta surface) sur l'empilement 44. Cela pourra être une couche mince à base de titane, d'or ou d'aluminium d'épaisseur comprise entre 500 nm et 10pm préférentiellement 1pm. De même l'isolant 23 pourra être déposé en couche mince. On pourra par exemple déposer une couche mince de parylène dont l'épaisseur sera comprise entre pm et 50pm préférentiellement 10pm. Enfin le conducteur électrique intérieur 21 pourra être une couche mince déposée de façon localisée ou non (totalité de la surface) sur l'empilement 44. La nature de la couche mince formant le conducteur électrique intérieur 21 pourra être identique ou non à celle du conducteur électrique extérieur 22. Cela pourra être une couche mince à base de titane, d'or ou d'aluminium d'épaisseur comprise entre 500 nm et 10 pm préférentiellement 1pm. De même l'isolant 23 pourra être déposé en couche mince. Une combinaison entre ces 3 solutions pourra être envisagée. Pour terminer la structure, les étapes 35, 36, 37 et 38 ne seront pas modifiées.
Comme illustré sur la figure 15, une sonde-électrode 140 selon la présente invention peut être reliée à un appareil biomédical tel qu'un stimulateur, comprenant un boîtier étanche 110 à l'intérieur duquel est disposé un circuit électronique 130 tel qu'un un générateur d'impulsions électriques permettant de délivrer des impulsions électriques calibrées en fréquence et en amplitude. Le dispositif peut comprendre aussi un système de récupération d'énergie 170, également implanté, comme par exemple un petit module photovoltaïque. Ce module photovoltaïque pourra être composé d'un nombre de cellules allant de 2 à 10 en fonction de la tension à fournir et en fonction du matériau composant le mini module photovoltaïque. Ainsi pour un mini module photovoltaïque en Culn1-xGax(Sei-y,Sy)2 (CiGS) et une tension de fonctionnement de 3V on pourra réaliser un mini module composé de 5 cellules connectées en série. Lorsque ce mini-module de surface 1 cm2 est éclairé au travers de la peau par une source lumineuse infrarouge d'une puissance de 50mW/cm2, îa charge une micro-batterie de 15cm2 et de capacité 1 mAh/cm2 peut être réalisée en 1 h environ. Il est à noter que ce mini module peut être réalisé sur un substrat flexible et l'épaisseur totale (substrat et couches actives) peut être inférieure à 100μιη.
Ainsi le système composé de la sonde-électrode rechargeable
140 et du module photovoltaïque de 1 cm2 pourra remplacer une batterie primaire massive avoisinant les 10 cm3. Ce système aura en plus l'avantage d'être rechargeable. Bien entendu, la sonde-électrode 140 accomplira également sa fonction conventionnelle de transport des signaux électriques générés par le circuit électronique 130 vers une électrode 150, ou un ensemble d'électrode, permettant d'appliquer ces signaux à un tissu biologique (ou, inversement, de transport de signaux bioélectriques captés par ladite électrode vers un circuit d'acquisition et détection).
Le circuit électronique, en l'espèce un générateur d'impulsions électriques, pourra être miniaturisé pour occuper une surface inférieure à 1 cm2, comme décrit par exemple dans l'article « A very low-power CMOS mixed-signal IC for ïmplantable pacemaker applications », L. S. Y. Wong et al., iEEE Journal of solid-state circuits 39, 2446 (2004). Ainsi le dispositif complet selon la présente invention (constitué du générateur d'impulsions de surface inférieure à 1 cm2, du mini module photovoltaïque de surface 1 cm2, et de la sonde-électrode assurant une fonction de stockage d'énergie) aura un encombrement considérablement réduit, par rapport aux dispositifs connus dans l'art antérieur (constitués d'un générateur d'impulsions, d'une batterie primaire massive de 10 cm3 intégrée dans le même objet que le générateur d'impulsions, et d'une sonde-électrode conventionnelle). H est à noter qu'une batterie additionnelle pourra également être prévue - de manière conventionnelle - à l'intérieur de boîtier 110. Mais, bien entendu, ses dimensions seront inférieures à celles qu'elle devrait avoir pour assurer seule la fonction de stockage d'énergie.
Une variante, déjà mentionnée plus haut en référence à la figure 11 , consiste à utiliser une fibre optique à la place du ou des conducteurs électriques souples et tubuiaires 21 et 22, ce qui permet de transporter de l'énergie lumineuse jusqu'à un générateur d'impulsions électriques intégré à l'électrode 150 ou vers l'extérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de stockage et de transport d'énergie comprenant un câble (20) de transport d'énergie électromagnétique ainsi qu'au moins une micro-batterie solide à couches minces (44) agencée sur une surface extérieure dudit câble.
2. Système selon la revendication 1 dans lequel ladite ou iesdites micro-batteries solides à couches minces entourent ledit câble.
3. Système selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit câble est un câble coaxiai, le système comprenant : un premier conducteur dit intérieur (21 ), une première couche isolante (23) entourant ledit conducteur intérieur, un deuxième conducteur dit extérieur (22) entourant ladite première couche isolante, une deuxième couche isolante (81 ) entourant ledit conducteur extérieur et au moins une dite micro-batterie solide à couches minces (44) de forme tubu!aire entourant ladite deuxième couche isolante.
4. Système selon Tune des revendications 1 ou 2 dans lequel ledit câble est un câble ou une fibre optique (20') entouré par au moins une dite micro-batterie solide à couches minces de forme tubulaire.
5. Système selon l'une des revendications précédentes comprenant une couche isolante (42) entourant ou recouvrant ladite ou Iesdites micro-batteries solides à couches minces.
6. Système selon la revendication 5, comportant une pluralité de micro-batteries solides à couches minces espacées dans une direction longitudinale dudit câble et reliées entre elles par une même couche isolante qui les entoure ou recouvre, ladite couche isolante présentant un module élastique inférieur à celui desdites micro-batteries.
7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit câble est enroulé en spirale.
8. Dispositif biomédical impiantable comprenant :
5 - un boîtier (110) contenant un circuit électronique
(130) de génération ou détection de signaux ;
une électrode (150) ou ensemble d'électrodes pour appliquer à un tissu biologique au moins un signal électrique, ou pour capter au moins un signai électrique généré par un tel tissu ; et
o un système de stockage et de transport d'énergie
(140) selon l'une des revendications précédentes reliant ledit boîtier et ladite électrode ou ensemble d'électrodes, dans lequel : ledit câbie est connecté pour transmettre au moins un signal dudit circuit électronique à ladite électrode ou ensemble d'électrodes ou vice-versa, et ladite ou lesdites micro-5 batteries solides à couches minces sont connectées pour alimenter ledit circuit électronique.
9. Dispositif biomédical selon la revendication 8, comprenant également un dispositif de récupération d'énergie (170) connecté pour o recharger ladite ou lesdites micro-batteries solides à couches minces.
10. Procédé de fabrication d'un système selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :
a) déposer, sur un substrat flexible (41 ), un empilement de 5 couches minces (44) formant une micro-batterie solide ;
b) former une structure tubuîaire à partir dudit substrat et dudit empilement de couches minces, un câble (20) de transport d'énergie électromagnétique étant agencé à l'intérieur de ladite structure tubuîaire et un espace vide (61 ) étant ménagé entre ledit câble et ladite structure tubuîaire ; 0 c) injecter et durcir un matériau isolant (81 ) à l'intérieur de ladite structure tubuîaire, de manière à combler ledit espace vide ; et
d) supprimer par gravure ledit substrat flexible.
11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel ledit substrat flexible est un feuilîard métallique.
12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11 dans lequel ladite étape a) comprend le dépôt d'une couche isolante (42) entre ledit substrat flexible et ledit empilement de couches minces et dans lequel, lors de la dite étape d), ladite couche isolante n'est pas supprimée.
13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12 dans lequel ledit substrat flexible présente une forme en ruban et ladite étape b) est réalisée en positionnant ledit câble sur la surface dudit empilement de couches minces formant une micro-batterie solide ; puis en enroulant ledit substrat flexible et ledit empilement de couches minces autour dudit câble.
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel ledit substrat flexible est enroulé en le faisant passer, avec ledit câble, dans un profil (52).
15. Procédé selon l'une des revendications 10 à 14 dans lequel ladite étape c) comprend les opérations suivantes :
c1 ) agencer une gaine thermo-rétractable (71) autour de ladite structure tubulaire ;
c2) provoquer la rétractation de ladite gaine thermo- rétractable autour de ladite structure tubulaire ;
c3) injecter un polymère durcissable (81 ) dans l'espace vide entre ledit câble et ladite structure tubulaire ;
c4) provoquer le durcissement dudit polymère ; et
c5) éliminer par pelage ladite gaine.
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