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3 Juin, 2024

Des capteurs imperceptibles fabriqués à partir de « soie d’araignée électronique » peuvent être imprimés directement sur la peau humaine

Des capteurs imperceptibles fabriqués à partir de « soie d’araignée électronique » peuvent être imprimés directement sur la peau humaine

Capteurs imprimés sur des doigts humains

Les chercheurs ont développé une méthode permettant de fabriquer des capteurs adaptatifs et respectueux de l’environnement qui peuvent être imprimés directement et imperceptiblement sur une large gamme de surfaces biologiques, qu’il s’agisse d’un doigt ou d’un pétale de fleur.

La méthode, développée par des chercheurs de l’Université de Cambridge, s’inspire de la soie d’araignée, qui peut se conformer et adhérer à diverses surfaces. Ces « soies d’araignées » intègrent également la bioélectronique, de sorte que différentes capacités de détection peuvent être ajoutées à «la toile ».

Les fibres, au moins 50 fois plus petites qu’un cheveu humain, sont si légères que les chercheurs les ont imprimées directement sur la graine duveteuse d’un pissenlit sans effondrer sa structure. Lorsqu’ils sont imprimés sur la peau humaine, les capteurs à fibres s’adaptent à la peau et exposent les pores sudoripares, de sorte que l’utilisateur ne détecte pas leur présence. Les tests des fibres imprimées sur un doigt humain suggèrent qu’elles pourraient être utilisées comme moniteurs de santé continus.

Cette méthode à faibles déchets et à faibles émissions pour augmenter les structures vivantes pourrait être utilisée dans de nombreux domaines, depuis les soins de santé et la réalité virtuelle, jusqu’aux textiles électroniques et à la surveillance de l’environnement. Les résultats sont rapportés dans la revue Nature Electronics .

Bien que la peau humaine soit remarquablement sensible, l’augmenter avec des capteurs électroniques pourrait changer fondamentalement la façon dont nous interagissons avec le monde qui nous entoure. Par exemple, des capteurs imprimés directement sur la peau pourraient être utilisés pour une surveillance continue de la santé, pour comprendre les sensations cutanées, ou pourraient améliorer la sensation de « réalité » dans les jeux ou les applications de réalité virtuelle.

Bien que les technologies portables dotées de capteurs intégrés, telles que les montres intelligentes, soient largement disponibles, ces appareils peuvent être inconfortables, envahissants et inhiber les sensations intrinsèques de la peau.

« Si vous souhaitez détecter avec précision quelque chose sur une surface biologique comme la peau ou une feuille, l’interface entre l’appareil et la surface est vitale », a déclaré le professeur Yan Yan Shery Huang du département d’ingénierie de Cambridge, qui a dirigé la recherche. « Nous voulons également que la bioélectronique soit complètement imperceptible pour l’utilisateur, afin qu’elle n’interfère en aucune façon avec la façon dont l’utilisateur interagit avec le monde, et nous voulons qu’elle soit durable et génère peu de déchets. »

Il existe plusieurs méthodes pour fabriquer des capteurs portables, mais elles présentent toutes des inconvénients. Les composants électroniques flexibles, par exemple, sont normalement imprimés sur des films plastiques qui ne laissent pas passer le gaz ou l’humidité, ce serait donc comme envelopper votre peau dans un film alimentaire. D’autres chercheurs ont récemment développé des composants électroniques flexibles et perméables aux gaz, comme les peaux artificielles, mais qui interfèrent néanmoins avec la sensation normale et reposent sur des techniques de fabrication à forte intensité d’énergie et de déchets.

L’impression 3D est une autre voie potentielle pour la bioélectronique car elle génère moins de gaspillage que les autres méthodes de production, mais conduit à des dispositifs plus épais qui peuvent interférer avec le comportement normal. La filature des fibres électroniques donne naissance à des dispositifs imperceptibles pour l’utilisateur, mais qui n’ont pas un haut degré de sensibilité ou de sophistication et qui sont difficiles à transférer sur l’objet en question.

Aujourd’hui, l’équipe dirigée par Cambridge a développé une nouvelle façon de fabriquer des produits bioélectroniques hautes performances qui peuvent être personnalisés sur un large éventail de surfaces biologiques, du bout du doigt à la graine duveteuse d’un pissenlit, en les imprimant directement sur cette surface. Leur technique s’inspire en partie des araignées, qui créent des structures de toile sophistiquées et solides adaptées à leur environnement, en utilisant un minimum de matériaux.

Les chercheurs ont filé leur « soie d’araignée » bioélectronique à partir de PEDOT : PSS (un polymère conducteur biocompatible), d’acide hyaluronique et d’oxyde de polyéthylène. Les fibres hautes performances ont été produites à partir d’une solution à base d’eau à température ambiante, ce qui a permis aux chercheurs de contrôler la « filabilité » des fibres. Les chercheurs ont ensuite conçu une approche de filage orbital pour permettre aux fibres de se transformer en surfaces vivantes, même jusqu’à des microstructures telles que des empreintes digitales.

Les tests des fibres bioélectroniques, sur des surfaces telles que les doigts humains et les graines de pissenlit, ont montré qu’elles offraient des performances de capteur de haute qualité tout en étant imperceptibles pour l’hôte.

« Notre approche de filage permet aux fibres bioélectroniques de suivre l’anatomie de différentes formes, à l’échelle micro et macro, sans avoir besoin de reconnaissance d’image », a déclaré Andy Wang, le premier auteur de l’article. «Cela ouvre un tout autre angle en termes de manière de fabriquer des appareils électroniques et des capteurs durables. C’est un moyen beaucoup plus simple de produire des capteurs sur une grande surface.

La plupart des capteurs haute résolution sont fabriqués dans une salle blanche industrielle et nécessitent l’utilisation de produits chimiques toxiques dans un processus de fabrication en plusieurs étapes et gourmand en énergie. Les capteurs développés par Cambridge peuvent être fabriqués n’importe où et utilisent une infime fraction de l’énergie requise par les capteurs classiques.

Les fibres bioélectroniques, qui sont réparables, peuvent être simplement lavées lorsqu’elles ont atteint la fin de leur durée de vie utile et génèrent moins d’un milligramme de déchets : à titre de comparaison, une seule charge de linge typique produit entre 600 et 1 500 milligrammes de déchets de fibres.

« Grâce à notre technique de fabrication simple, nous pouvons placer les capteurs presque n’importe où et les réparer où et quand ils en ont besoin, sans avoir besoin d’une grosse machine d’impression ou d’une installation de fabrication centralisée », a déclaré Yan Yan Shery Huang. « Ces capteurs peuvent être fabriqués à la demande, là où ils sont nécessaires, et produisent un minimum de déchets et d’émissions. »

Les chercheurs affirment que leurs appareils pourraient être utilisés dans des applications allant de la surveillance de la santé à la réalité virtuelle, en passant par l’agriculture de précision et la surveillance de l’environnement. À l’avenir, d’autres matériaux fonctionnels pourraient être incorporés à cette méthode d’impression sur fibre, afin de construire des capteurs à fibre intégrés destinés à compléter les systèmes vivants avec des fonctions d’affichage, de calcul et de conversion d’énergie. La recherche est commercialisée avec le soutien de Cambridge Enterprise, la branche de commercialisation de l’Université.

https://www.cam.ac.uk/research/news/imperceptible-sensors-made-from-electronic-spider-silk-can-be-printed-directly-on-human-skin

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01174-4