Une nouvelle façon de faire adhérer les polymères aux surfaces pourrait permettre d’améliorer les capteurs et les implants biomédicaux.
Les polymères qui sont de bons conducteurs d’électricité pourraient être utiles dans les dispositifs biomédicaux, pour aider à la détection ou à l’électrostimulation, par exemple. Mais un point d’achoppement empêche leur utilisation à grande échelle : leur incapacité à adhérer à une surface telle qu’un capteur ou une puce électronique, et à rester en place malgré l’humidité du corps.
Aujourd’hui, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de faire adhérer des gels polymères conducteurs à des surfaces humides.
La nouvelle méthode d’adhésion est décrite aujourd’hui dans la revue Science Advances, dans un article rédigé par Hyunwoo Yuk, doctorant au MIT, Akihisa Inoue, ancien chercheur invité, Baoyang Lu, post-doctorant, et Xuanhe Zhao, professeur de génie mécanique.
La plupart des électrodes utilisées pour les dispositifs biomédicaux sont en platine ou en alliages de platine et d’iridium, explique Xuanhe Zhao. Ce sont de très bons conducteurs électriques qui sont durables dans l’environnement humide du corps, et chimiquement stables de sorte qu’ils n’interagissent pas avec les tissus environnants. Mais leur rigidité est un inconvénient majeur. Comme ils ne peuvent pas se plier et s’étirer lorsque le corps bouge, ils peuvent endommager les tissus délicats.
Les polymères conducteurs tels que le PEDOT:PSS, en revanche, peuvent correspondre de très près à la douceur et à la flexibilité des tissus vulnérables du corps. La difficulté consiste à les faire rester attachés aux dispositifs biomédicaux auxquels ils sont connectés. Les chercheurs s’efforcent depuis des années de rendre ces polymères durables dans les environnements humides et toujours en mouvement du corps.
« Des milliers d’articles ont été publiés sur les avantages de ces matériaux », explique Hyunwoo Yuk, mais les entreprises qui fabriquent des appareils biomédicaux « ne les utilisent tout simplement pas », car elles ont besoin de matériaux extrêmement fiables et stables. Une défaillance du matériau pourrait nécessiter une procédure chirurgicale invasive pour le remplacer, ce qui comporte un risque supplémentaire pour le patient.
Les électrodes métalliques rigides « endommagent parfois les tissus, mais elles fonctionnent bien en termes de fiabilité et de stabilité sur plusieurs années », ce qui n’était pas le cas jusqu’à présent avec les substituts de polymères, dit-il.
La plupart des efforts pour résoudre ce problème ont consisté à apporter des modifications importantes aux matériaux polymères afin d’améliorer leur durabilité et leur capacité d’adhérence, mais Hyunwoo Yuk affirme que cela crée des problèmes en soi : Les entreprises ont déjà beaucoup investi dans l’équipement pour fabriquer ces polymères, et des changements majeurs à la formulation nécessiteraient un investissement important dans de nouveaux équipements de production. Ces changements concerneraient un marché relativement petit en termes économiques, bien que l’impact potentiel soit important. Les autres approches qui ont été essayées se limitent à des matériaux spécifiques. L’équipe du MIT s’est plutôt attachée à apporter le moins de changements possible, afin d’assurer la compatibilité avec les méthodes de production existantes et de rendre la méthode applicable à une grande variété de matériaux.
Leur méthode implique une couche adhésive extrêmement fine entre l’hydrogel polymère conducteur et le matériau du substrat. Bien qu’elle ne fasse que quelques nanomètres d’épaisseur (milliardièmes de mètre), cette couche s’avère efficace pour faire adhérer les gels à une grande variété de matériaux de substrat couramment utilisés, notamment le verre, le polyimide, l’oxyde d’indium et d’étain et l’or. La couche adhésive pénètre dans le polymère lui-même, produisant une structure de protection solide et durable qui maintient le matériau en place même lorsqu’il est exposé pendant de longues périodes à un environnement humide.
La couche adhésive peut être appliquée sur les dispositifs par divers procédés de fabrication standard, notamment le revêtement par centrifugation, le revêtement par pulvérisation et le revêtement par immersion, ce qui facilite son intégration dans les plateformes de fabrication existantes. Le revêtement utilisé par les chercheurs dans leurs tests est en polyuréthane, un matériau hydrophile (qui attire l’eau) facilement disponible et peu coûteux, bien que d’autres polymères similaires puissent également être utilisés. Ces matériaux « deviennent très résistants lorsqu’ils forment des réseaux interpénétrés », comme ils le font lorsqu’ils sont revêtus du polymère conducteur, explique Hyunwoo Yuk. Cette résistance accrue devrait résoudre les problèmes de durabilité associés au polymère non revêtu, dit-il.
Le résultat est un gel mécaniquement fort et conducteur qui adhère fermement à la surface à laquelle il est fixé. « C’est un procédé très simple », explique Hyunwoo Yuk.
La liaison s’avère très résistante à la flexion, à la torsion et même au pliage du matériau du substrat. Le polymère adhésif a été testé en laboratoire dans des conditions de vieillissement accéléré par ultrasons, mais Hyunwoo Yuk affirme que pour que l’industrie des dispositifs biomédicaux accepte un tel nouveau matériau, il faudra des tests plus longs et plus rigoureux pour confirmer la stabilité de ces fibres revêtues dans des conditions réalistes sur de longues périodes.
« Nous serions très heureux d’obtenir une licence et de mettre cette technologie à disposition pour la tester davantage dans des situations réalistes », dit-il. L’équipe a commencé à parler aux fabricants pour voir « comment nous pouvons les aider au mieux à tester ces connaissances », dit-il.
« Je pense que c’est un excellent travail », déclare Zhenan Bao, professeur de génie chimique à l’université de Stanford, qui n’a pas été associé à cette recherche. « Les adhésifs humides constituent déjà un grand défi. Les adhésifs conducteurs qui fonctionnent bien dans des conditions humides sont encore plus rares. Ils sont très nécessaires pour les interfaces nerveuses et l’enregistrement des signaux électriques du cœur ou du cerveau ».
Selon Zhenan Bao, ces travaux « constituent une avancée majeure dans le domaine de la bioélectronique ».
La recherche a été soutenue par la Fondation nationale des sciences, la société JSR et Samsung.
