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La simulation numérique accélérateur d’innovations pour la Medtech et la Biotech

À l’échelle mondiale, la Suisse est à la pointe du secteur des technologies médicales. Elle possède un dense réseau de R&D, soutenu par des universités de renom, des PME ultraspécialisées, un savoir faire historique dans la micro-mécanique et de puissants groupes internationaux.

La simulation au service des dispositifs médicaux et de la Medtech

Les dispositifs médicaux occupent une place croissante dans la médecine et l’accompagnement du patient. Leur rapide développement soutient les défis de la médecine ambulatoire, du vieillissement de la population, de la prise en charge des maladies chroniques et d’une certaine démocratisation de l’accès aux soins.

Il existe un arbitrage permanent entre la prise en charge des coûts, les questions de bénéfice/risque, la diffusion de l’innovation et la volonté d’améliorer le préventif plutôt que le tout curatif.
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Des pansements à l’imagerie médicale, des dispositifs implantables jusqu’à des technologies révolutionnaires comme le « cœur artificiel », les objets connectés et la robotique médicale, les dispositifs médicaux prennent une ampleur nouvelle. Les acteurs doivent accélérer le développement des nouveaux produits en conformité avec les standards réglementaires et apporter la démonstration de leur bénéfice. Pour ce faire, il est crucial de développer des produits sûrs, de haute qualité qui prennent en compte les interactions avec le patient et notamment la fiabilité, la durabilité, la fatigue. Les laboratoires et sociétés médicales doivent accélérer le développement des nouveaux produits en conformité avec les standards réglementaires et apporter la démonstration de leur bénéfice.

La simulation numérique est un outil précieux dans le développement de dispositifs médicaux et de produits biotechnologiques. Elle permet de :

– résoudre des problèmes complexes

– optimiser les conceptions, améliorer la qualité et la sécurité des produits, minimiser des risques liés à la réglementation

– réduire les coûts

– accélérer le développement et la mise sur le marché de nouveaux produits

Les équipes de DAES contribuent au développement des produits Medtech grâce à la simulation numérique et l’analyse de données.

Nos expertises

Nous vous accompagnons en intégrant la simulation et la validation de nouvelles méthodes de développement au cœur de votre conception de produit.

Qu’il s’agisse du dossier réglementaire et la documentation associée ou bien de l’optimisation des performances de votre produit, nos équipes prennent en charge la simulation et participent aux groupes de travail pour la conception et la spécification du système. Les modèles numériques, véritables laboratoires virtuels, permettent une vision intrinsèque des performances du produit !

Quelques exemples d’application de la simulation numérique à la medtech

La modélisation musculo-squelettique permet de recalculer les forces musculaires nécessaires pour effectuer un mouvement précis. Dans le domaine de la medtech, ce type de modélisation permet par exemple de prédire les forces exercées sur des implants lors de la marche ou de la course, ce qui est très difficile à mesurer en laboratoire. Les designs de ces implants peuvent alors être affinés pour supporter des cas de charges réalistes.
La conception des chaussures de course à pied a énormément évolué ces dernières années, et la simulation numérique permet de prédire les effets de nouveaux matériaux ou de changements géométriques sur la performance. Pour ce faire, il est nécessaire de créer des modèles numériques dont les résultats seront corrélés au ressenti des athlètes sur le terrain ; La modélisation musculo-squelettique est aussi un atout majeur pour mieux comprendre les gains de performances, en estimant les coûts métaboliques associés aux différents produits.
Les SMA (matériaux à mémoire de forme) type nitinol permettent le bon fonctionnement des stents. Sujets notamment à des variations de pression, la simulation numérique permet de prendre en compte tant les matériaux que les charges existantes. Les performances de ces composants peuvent ainsi être étudiées dans toutes les configurations possibles. Le calcul non-linéaire structurel nécessaire peut également être couplé avec une analyse CFD tenant compte de l’écoulement sanguin.
La conception de prothèse est confrontée à de nombreuses problématiques : si la prothèse ne doit pas casser sous des charges statiques, elle doit également faire face durant son cycle de vie à des chocs, des charges « accidentelles » mais doit en plus résister à l’usure et rester fonctionnelle sur la durée. Tous ces effets peuvent être étudiés par des simulations numériques, par une méthode implicite ou explicite. La simulation numérique peut ainsi s’intégrer dans toutes les étapes de la conception, que ce soit pour la vérification de la conformité aux exigences normatives ou pour des sujets spécifiques tels que l’usure ou la résistance en cas de choc.
Les calculs CFD d’écoulements sanguins peuvent permettre d’estimer les conditions locales et mieux considérer les charges à appliquer sur les composants tels que les stents. Par un calcul couplé structure/fluide (FSI), les effets du champ de pression lié à l’écoulement peuvent agir sur les déplacements du solide considéré (paroi de la veine, composant médical) et vice-versa.
L’utilisation des analyses numériques ne se limite pas aux composants à l’intérieur du corps. De nombreux dispositifs médicaux (seringues, fauteuil roulants, lunettes, …) peuvent être étudiés par ces méthodes et assurer la robustesse et/ou la performance de ces dispositifs.
La simulation numérique s’applique même aux outils permettant la fabrication de ces éléments médicaux. Par exemple, le transport des comprimés par tapis roulants peut être modélisé par des méthodes DEM, permettant ainsi d’optimiser la chaîne de fabrication.
En phase de recherche
Élaboration de modèles mathématiques et de méthodes numériques permettant également la corrélation avec des données mesurées, analyses mathématiques et techniques de modèles numériques, développement et validation de méthodes de calcul scientifique.
En phase de conception
Nos équipes travaillent en étroite collaboration avec les responsables de produits pour réaliser des PoC, anticiper et simuler les conditions d’utilisations futures, évaluer l’impact d’une évolution du design (résistance, confort, optimisation topologique, fatigue, usure…)

La simulation des procédés pour une maitrise globale à la hauteur des challenges de la Biotech

La biotech est un domaine en constante évolution, avec de nouvelles découvertes et technologies émergeant régulièrement. Elle joue un rôle important dans la recherche médicale et dans l’industrie pharmaceutique, ainsi que dans la production alimentaire durable et la protection de l’environnement.

Les équipes de DAES contribuent à la mise sur le marché de biotechnologies innovantes en proposant un processus extrêmement précis de conception de produits.

La maitrise des processus complexes de production de la Biotech nécessite les meilleurs moyens techniques : la simulation numérique est évidemment la réponse. Il est ainsi possible d’assurer le juste niveau d’oxygène, la juste température ou le bon apport de chauffage dans un système de production. Cette maitrise des paramètres physiques et des justes conditions est primordiale pour l’atteinte des objectifs.

Quelques exemples de simulation pour la Biotech

Un mélangeur doit assurer l’homogénéité des liquides. Par un calcul CFD, cette homogénéité peut être estimée après un temps « infini » de rotation de l’hélice (calcul stationnaire) ou après quelques secondes (calcul transitoire). La performance tant spatiale que temporelle du mélangeur peut ainsi être validée.
Dans le cas d’injection de gaz ou dans les cas où des changements de phase (cavitation) apparaîtraient lors de la rotation de l’hélice, un calcul multiphasique  du mélange peut être réalisé. Suivant la physique considérée et les conditions d’injection, les tailles de bulles et leur répartition peuvent être étudiées pour une amélioration des performances du mélangeur.
Par un calcul CFD, les performances de l’hélice et donc du mélangeur peuvent être étudiées. Une optimisation peut ainsi être mise en place, en tenant également compte des conditions structurelles par un couplage uni ou bidirectionnel.
Des études thermiques des réacteurs peuvent être mises en place afin d’estimer les pertes et ainsi estimer la nécessité de calorifuger le réacteur, et, le cas échéant, estimer les épaisseurs de calorifugeage nécessaires. En fonction des physiques impliquées, ces études thermiques peuvent être incluses dans un calcul CFD (CHT) pour tenir compte des cellules de convection créées.
Que ce soit un mélangeur ou un réacteur, l’approvisionnement de l’appareil fait appel à des systèmes complexes de boucle incluant des pompes, des vannes, etc… Ces systèmes peuvent être étudiés par des simulations numériques 1D transitoires qui permettent de vérifier leur comportement dans tous les cas, que ce soit le démarrage et l’arrêt du système, mais aussi en conditions incidentelles ou accidentelles.

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