Energia Wireless a Ultrasuoni: Ho Visto il Futuro degli Impianti Medici con i CMUT Pre-Caricati!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta davvero appassionando e che, secondo me, potrebbe rivoluzionare il mondo dei dispositivi medici impiantabili (IMD). Immaginate pacemaker, neurostimolatori, pompe per farmaci… tutti dispositivi salvavita, ma spesso limitati dalla durata delle batterie interne. E se potessimo alimentarli dall’esterno, senza fili e in modo sicuro ed efficiente? Beh, ci stiamo lavorando sodo, e la chiave potrebbe essere negli ultrasuoni!

Perché gli Ultrasuoni? Superare i Limiti Attuali

Esistono già diverse tecniche per trasferire energia senza fili: l’accoppiamento induttivo (come la ricarica wireless dei telefoni, ma poco efficiente su lunghe distanze o con disallineamenti), quello capacitivo (molto sensibile alla distanza) e quello elettromagnetico (che usa frequenze alte, poco adatte a penetrare i tessuti e potenzialmente rischiose). Ognuna ha i suoi limiti, specialmente quando si tratta di dispositivi piccoli e impiantati in profondità.

Qui entrano in gioco gli ultrasuoni. Sono sicuri (li usiamo già per le ecografie!), possono penetrare in profondità nei tessuti e permettono di creare dispositivi riceventi molto piccoli, dell’ordine dei millimetri. L’idea è semplice: un trasmettitore esterno invia onde ultrasonore, e un ricevitore impiantato le converte in energia elettrica. Fantastico, no?

I CMUT: Piccoli Trasduttori, Grandi Potenzialità

Per convertire le vibrazioni meccaniche degli ultrasuoni in elettricità, ci sono diverse opzioni. Ci sono i TENG (nanogeneratori triboelettrici), economici ma poco potenti e durevoli, e i trasduttori piezoelettrici, efficienti ma difficili da miniaturizzare e integrare con l’elettronica moderna (e spesso contengono piombo, non ideale per gli impianti).

E poi ci sono loro, i miei preferiti: i CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Sono piccoli gioielli di microfabbricazione, realizzati con tecniche simili a quelle dei chip dei computer. Questo significa che possiamo farli piccolissimi, integrarli facilmente con altri circuiti elettronici e produrli in serie. Sono versatili e hanno un’ampia larghezza di banda.

La Sfida del DC Bias e la Nostra Soluzione “Pre-Caricata”

C’è un però: i CMUT tradizionali, per funzionare al meglio come ricevitori, hanno bisogno di una tensione continua (DC bias). Questo di solito significa aggiungere una batteria al dispositivo impiantato, vanificando un po’ il vantaggio del trasferimento wireless. Come superare questo ostacolo?

La risposta è operare in modalità “a carica costante” (constant-charge mode). Invece di applicare una tensione esterna, si “intrappolano” delle cariche elettriche direttamente all’interno della struttura del CMUT prima dell’impianto. Quando l’onda ultrasonora arriva, fa vibrare una sottile membrana nel CMUT, modificandone la capacità. Poiché la carica è fissa, questa variazione di capacità genera una variazione di tensione, e quindi corrente elettrica, senza bisogno di alcuna batteria!

In passato, altri ricercatori (e anche noi stessi) avevano provato a “pre-caricare” i CMUT usando un fenomeno quantistico chiamato tunneling Fowler-Nordheim (FN). Funziona, ma è difficile da controllare con precisione e richiede campi elettrici molto elevati.

Ecco dove arriva la nostra novità: abbiamo progettato e realizzato una nuova struttura di CMUT pre-caricato con un condensatore di accumulo integrato. La genialata? Abbiamo inserito un elettrodo flottante (cioè isolato) tra l’elettrodo superiore e quello inferiore. Per caricarlo, lo mettiamo fisicamente in contatto con l’elettrodo inferiore applicando una tensione DC tra l’elettrodo superiore e quello inferiore.

Come avviene il contatto? Possiamo farlo in due modi principali:

1. Applicando una tensione DC superiore alla cosiddetta “tensione di pull-in”: la membrana del CMUT diventa instabile e collassa sull’elettrodo inferiore.
2. Applicando una pressione esterna, ad esempio con un’onda ultrasonora focalizzata: questa forza meccanica spinge la membrana verso il basso.

Durante il contatto, le cariche fluiscono sull’elettrodo flottante. La cosa interessante è che possiamo controllare la quantità di carica trasferita agendo sulla durata del contatto o sulla tensione applicata. Una volta interrotto il contatto (ad esempio, rimuovendo la tensione o la pressione esterna), le cariche rimangono intrappolate sull’elettrodo flottante, isolate dal vuoto e da strati isolanti.

Risultati Straordinari: Potenza, Efficienza e Stabilità nel Tempo

E funziona? Eccome! Abbiamo fabbricato questi nuovi CMUT e i risultati sono stati entusiasmanti.

Stabilità Incredibile: La prima cosa che abbiamo verificato è stata la tenuta della carica. Abbiamo misurato l’impedenza elettrica dei CMUT pre-caricati a distanza di tempo, senza applicare alcuna tensione DC esterna. Risultato? Dopo più di due anni, la carica era ancora lì, stabile, senza perdite significative! Questo è fondamentale per garantire l’affidabilità a lungo termine di un impianto.

Trasferimento di Potenza Wireless Dimostrato: Abbiamo poi messo alla prova i nostri CMUT in un setup sperimentale. Abbiamo usato un trasduttore piezoelettrico esterno per inviare ultrasuoni focalizzati verso il nostro CMUT pre-caricato (immerso in olio per i test). Abbiamo variato la quantità di carica intrappolata e la potenza degli ultrasuoni in ingresso.

I numeri parlano da soli:

• Abbiamo raggiunto una potenza massima ricevuta di 10.1 milliwatt (mW), che corrisponde a una densità di potenza di 3.1 mW/mm². Pensate che molti IMD, come pacemaker o neurostimolatori, richiedono circa 1 mW per funzionare. Siamo ben oltre!
• L’efficienza di conversione acustico-elettrica (quanta potenza ultrasonora viene trasformata in elettricità utile) ha raggiunto un picco del 29.7% a bassi livelli di potenza in ingresso. All’ MTD (Maximum Transferable Dose), l’efficienza era del 14.5%. Sono valori davvero promettenti.
• Abbiamo anche testato la stabilità del trasferimento di potenza nel tempo, inviando impulsi ultrasonori per 60 minuti: la potenza ricevuta è rimasta costante, con fluttuazioni inferiori all’1%.

Sicurezza Prima di Tutto: È importante sottolineare che tutti gli esperimenti sono stati condotti utilizzando livelli di potenza ultrasonora ben al di sotto dei limiti di sicurezza stabiliti dalla FDA per le applicazioni diagnostiche. Il Mechanical Index (MI) massimo era 0.27 (limite 1.9) e l’intensità media 60 mW/mm² (limite ISPPA 1900 mW/mm²).

Come Li Abbiamo Costruiti e Cosa Ci Aspetta

Questi dispositivi non nascono dal nulla. Abbiamo usato simulazioni ad elementi finiti (FEM) per ottimizzare il design: spessore della membrana, altezza del gap, dimensioni degli elettrodi… tutto per massimizzare le prestazioni. La fabbricazione è avvenuta utilizzando una tecnica chiamata “aligned anodic wafer bonding” su wafer di vetro borosilicato da 100 mm, un processo che avevamo già sviluppato e che richiede solo tre maschere litografiche. Il dispositivo finale è grande circa 2.3 x 1.8 mm e contiene 500 micro-celle CMUT collegate in parallelo. Abbiamo anche inserito dei piccoli distanziatori in vetro al centro di ogni cella per prevenire cortocircuiti accidentali durante il funzionamento.

Cosa riserva il futuro? Le potenzialità sono enormi!

• Ottimizzazione: Possiamo migliorare ulteriormente l’efficienza e la potenza agendo sui parametri di design (altezza del gap, dimensioni delle celle, materiali isolanti).
• Array 2D: Il dispositivo attuale richiede un allineamento preciso tra trasmettitore e ricevitore. Realizzando array bidimensionali (2D) di CMUT pre-caricati, potremmo rendere il sistema meno sensibile all’orientamento, un vantaggio enorme per gli impianti.
• Integrazione: Il prossimo passo cruciale è integrare questi CMUT pre-caricati con circuiti integrati (IC) customizzati per creare un sistema completo e compatto.
• Test In Vivo: Ovviamente, dovremo testare il sistema prima in vitro e poi in vivo per validarne l’efficacia e la sicurezza in condizioni realistiche.

Sono davvero convinto che questa tecnologia dei CMUT pre-caricati apra scenari incredibili per il futuro degli impianti medici. Poter alimentare dispositivi salvavita in modo wireless, sicuro ed efficiente, eliminando la necessità di batterie interne o riducendone drasticamente le dimensioni e la frequenza di sostituzione, sarebbe un passo avanti gigantesco per la qualità della vita di milioni di pazienti. Continueremo a lavorare per trasformare questa promessa in realtà!

Fonte: Springer