Transient neural interfaces: feasibility study on miniaturised and biodegradable antenna for wireless power transmission

Un’ampia ricerca nel campo dell'ingegneria biomedica è focalizzata sui dispositivi medici impiantabili per consentire il ripristino delle funzioni corporee perse. In particolare, nel campo della neurostimolazione, questi dispositivi sono solitamente impiegati per modulare il sistema neurale come soluzione a diverse malattie neurologiche e mentali. Per ottenere l'attivazione neurale, la maggior parte delle interfacce neurali richiede un intervento chirurgico invasivo per il loro inserimento. Inoltre, i materiali comunemente utilizzati e la presenza di cavi causano solitamente una risposta immunologica negativa e, quindi, la necessità di ulteriori interventi chirurgici per sostituire il dispositivo. Recentemente sono stati studiati metodi alternativi per raggiungere l'area target di stimolazione, che hanno portato alla realizzazione di impianti minimamente invasivi. Questi miglioramenti sono incentrati su: i) lo sviluppo di dispositivi endovascolari, in grado di navigare nei vasi sanguigni adiacenti ai tessuti neurali a seguito di una procedura chirurgica di angioplastica minimamente invasiva, e ii) l'impiego di materiali transitori che, essendo bioriassorbibili, evitano l'onere di un secondo intervento chirurgico. Inoltre, i sistemi di trasferimento di potenza wireless rappresentano una soluzione innovativa e valida per eliminare i cavi. Questo lavoro propone uno studio di fattibilità di un sistema di trasferimento di potenza induttivo per un'interfaccia neurovascolare transitoria con l'obiettivo di registrare e stimolare in modo minimamente invasivo. Nello specifico, questa tesi di laurea magistrale è incentrata sulla progettazione e l'ottimizzazione di un collegamento induttivo a due coils e la fabbricazione del coil ricevente. Le prestazioni e l'accoppiamento dei coils sono state studiate attraverso un simulatore, replicando le condizioni di impianto (posizionamento endovascolare, coil in magnesio e isolamento in poli-ε-caprolattone). Il design ottimale per i coils è stato trovato seguendo un algoritmo di ottimizzazione per ottenere le migliori prestazioni in termini di erogazione di potenza alla frequenza operativa di 40 MHz. Inoltre, il design finale è stato simulato per due diversi spessori del coil ricevente, risultanti da due metodi di fabbricazione possibili. In primo luogo, è stato utilizzato uno spessore di 20 µm per convalidare un coil precedentemente fabbricato con la tecnica del laser cutter [1]. In secondo luogo, è stato utilizzato uno spessore di 1 µm per convalidare un metodo di fabbricazione alternativo, mediante evaporazione, sviluppato nel lavoro di tesi. Il primo ha prodotto un'efficienza di trasferimento della potenza dello 0,24% e una potenza erogata al carico di 1,21 mW, mentre il secondo ha prodotto rispettivamente lo 0,012% e 0,061 mW. In conclusione, probabilmente grazie allo spessore maggiore compatibile con il metodo di fabbricazione, il coil ottenuto tramite taglio laser offre un potenziale maggiore per la realizzazione di una protesi endovascolare wireless. Inoltre, nei test preliminari, il metodo di fabbricazione basato sull'evaporazione si è dimostrato tecnicamente più impegnativo del taglio laser. Tuttavia, sono necessari ulteriori lavori per convalidare sperimentalmente questi risultati.