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14 Mar, 2024

Une micropuce injectable suit la santé des animaux

Une micropuce injectable suit la santé des animaux

Détection de la fréquence cardiaque, de la respiration, des mouvements et de la température dans un boîtier de 4 mm de large

Dans le monde entier, de nombreux animaux de compagnie et de labeur sont munis d’une puce électronique. Le processus est simple : Un minuscule transpondeur contenant un numéro d’identification est enfermé dans un cylindre de la taille d’un grain de riz et injecté sous la peau, afin que l’animal puisse être identifié s’il se perd.

Mais les puces électroniques peuvent faire bien plus que contenir un numéro d’identification. Et si nous pouvions localiser un animal perdu ? Surveiller le rythme cardiaque d’un chien après une intervention médicale ? Suivre le rythme respiratoire des bovins et de leurs veaux dans une ferme d’élevage ?

Selon une nouvelle étude publiée dans IEEE Sensors Journal le 22 février, les capteurs injectables de suivi de l’activité et de la santé sont en effet réalisables et pourraient apporter de nouvelles informations et mesures de sécurité aux vétérinaires, aux agriculteurs, aux chercheurs sur les animaux et aux propriétaires d’animaux de travail et d’animaux de compagnie.

Une équipe de l’université d’État de Caroline du Nord a utilisé des matériaux disponibles dans le commerce pour créer ce qu’elle considère comme « le système de capteurs injectables multimodal et peu invasif le plus avancé pour les animaux afin de surveiller sans fil plusieurs de leurs indicateurs physiologiques et de leurs schémas d’activité ».

Dans le cadre de l’étude, l’implant a permis de mesurer en temps réel la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire, les mouvements et la température, ainsi que de suivre la pression sanguine et la saturation en oxygène dans le cadre de travaux futurs.

« Les chercheurs utilisent les implants existants pour suivre les animaux dans les études, mais ils sont encombrants : Il faut anesthésier l’animal et pratiquer une intervention chirurgicale pour implanter ce dispositif de grande taille », explique Alper Bozkurt, codirecteur du centre ASSIST (Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies) de la National Science Foundation et de l’Institute of Connected Sensor Systems (IConS) de l’État de New York. « Nous nous sommes demandé pourquoi ne pas utiliser un processus beaucoup plus simple et moins coûteux, comme l’implantation d’une micropuce dans presque toutes les cliniques vétérinaires. »

Alper Bozkurt compare l’injectable à une montre intelligente que les humains portent pour suivre leur activité et leurs statistiques vitales de base. « Il y a beaucoup de petits composants électroniques derrière cette montre en verre ; nous avons pris une grande partie de ces composants et les avons placés dans quelque chose de très petit.

Un tracker de santé dans une aiguille de calibre 6

Alper Bozkurt et ses collègues Parvez Ahmmed et James Reynolds ont créé le dispositif en partie à l’aide d’un système sur puce disponible dans le commerce. Leur système de puce injectable comprend plusieurs capteurs physiologiques, des circuits frontaux, un microcontrôleur avec un système radio sans fil pour envoyer les mesures, la capacité Bluetooth basse énergie et une batterie rechargeable.

Les capteurs exploitent plusieurs modalités différentes : Un capteur d’électrocardiographie mesure la fréquence cardiaque ; une unité de mesure inertielle suit les mouvements et la fréquence respiratoire ; la thermométrie indique la température. (Les chercheurs prévoient de démontrer le suivi de la pression artérielle et de la saturation en oxygène dans des travaux futurs grâce à un capteur de photopléthysmographie à longueurs d’onde multiples qui fait déjà partie du système).

Le traceur implantable personnalisé est injecté à l’aide d’une aiguille de calibre 6 et suit les signes vitaux tels que la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire et la température, en plus de l’activité.

Les chercheurs ont encapsulé le système de puce dans de l’époxy biomédical et un polymère synthétique biocompatible pour l’isolation, puis ont ajouté de l’époxy conducteur d’électricité à l’extrémité pour faire office d’électrodes. Le tout s’insère dans des aiguilles chirurgicales de calibre 6, qu’ils ont utilisées pour injecter les systèmes de puces à des rats anesthésiés et à des rats se déplaçant librement.

La micropuce peut envoyer les données des capteurs à un récepteur distant dans un rayon de 3 mètres, et la batterie peut durer deux à trois mois entre deux recharges. Les mesures de la fréquence cardiaque et de la fréquence respiratoire se situent à proximité des normes d’excellence existantes.

L’équipe a conçu le système avec une couche d’époxy biomédicale et une couche de polymère synthétique, afin que le dispositif puisse être extrait et réutilisé. « Disons que nous l’utilisons sur un animal et que, un mois ou deux plus tard, nous pouvons dissoudre la couche externe de polymère, recharger la batterie et l’encapsuler à nouveau pour produire un autre implant », explique Parvez Ahmmed.

La biométrie dans un emballage plus petit

Pour l’avenir, l’équipe a conclu qu’elle devra construire ses propres circuits intégrés à application spécifique (ASIC) pour réduire la taille du système injectable de 6 aiguilles (environ 4 millimètres) à 12 ou 15 aiguilles (1,4-2,2 mm) actuellement utilisées pour la micropuce traditionnelle. (Ils ont également expérimenté l’impression 3D d’électrodes à l’aide de nouveaux procédés d’impression à base de céramique).

« On veut toujours concevoir quelque chose de très analogue à ce qui existe déjà : les mêmes compétences, les mêmes procédures et le même aspect qu’une puce électronique classique », souligne James Reynolds. « Mais le diamètre de cette puce est minuscule, ce qui a représenté un véritable défi technique.

Malgré ces difficultés, l’équipe est parvenue à créer une version plus petite et sans pile du système, qui est décrite dans un article publié le 4 mars dans IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems.

James Reynolds, qui est issu d’une longue lignée d’agriculteurs, a fait remarquer que l’injectable avait plusieurs applications agricoles : une forte augmentation du rythme cardiaque pourrait alerter un agriculteur lorsqu’un animal d’élevage souffre, par exemple, d’une fracture, tandis que d’autres signes vitaux pourraient permettre d’arrêter une maladie parmi les animaux du troupeau avant qu’elle ne se propage. Les chercheurs vétérinaires pourraient également utiliser le dispositif pour surveiller les espèces menacées, sur lesquelles ils ne peuvent pas pratiquer d’opération chirurgicale pour implanter un gros traceur, note-t-il.

Jane Russenberger, cofondatrice de l’International Working Dog Registry, un registre en ligne où les propriétaires de chiens de travail peuvent ajouter, modifier et consulter des données stockées électroniquement, estime que les animaux de travail et les animaux de compagnie peuvent également en bénéficier.

Les données fournies par l’injectable « pourraient être analysées pour aider à prédire les chances de succès du chien dans un type de travail particulier ou son placement auprès d’un type de maître-chien particulier », assure Jane Russenberger. Les exemples, ajoute-t-elle, incluent les animaux de compagnie évalués en vue d’une adoption, les animaux proposés à la vente pour les agences gouvernementales en vue d’une utilisation dans le cadre d’un travail de détection, et l’évaluation de l’impact des cours de dressage, de la socialisation et d’autres activités d’enrichissement pour les animaux de compagnie.« 

Avec des applications potentielles allant de la possession d’animaux de compagnie à la recherche et à la pratique vétérinaires, en passant par l’agriculture et les animaux de travail, Alper Bozkurt souhaite transposer ce système sur le marché et affirme que l’intérêt de l’industrie est élevé.

« Je ne peux pas donner de noms, mais je peux dire qu’un certain nombre d’entreprises sont intéressées », déclare Alper Bozkurt. Il y a tellement d’applications avec différents utilisateurs finaux, et les zootechniciens en particulier nous disent : « Nous voulons un de ces systèmes pour hier » : Nous voulons l’un de ces appareils dès aujourd’hui. »

https://spectrum.ieee.org/injectable-animal-health-tracker