Des wearables extensibles peuvent désormais se réparer eux-mêmes 

Un matériau révolutionnaire coréen ouvre une nouvelle voie vers les biocapteurs et les stimulateurs. Si vous avez déjà essayé de faire adhérer un bandage à votre coude, vous comprenez la difficulté de créer des appareils portables qui s'attachent solidement au corps humain. Ajoutez à cela des circuits électroniques numériques et le problème devient encore plus compliqué. Ajoutez à cela la nécessité pour l'appareil de réparer automatiquement les cassures et les dommages (et tant qu'à y être, rendons-le biodégradable ), et de nombreux chercheurs baisseraient les bras.

Heureusement, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'École supérieure de sciences et technologies convergentes de l'Université de Corée (KU-KIST) a persévéré et a développé des matériaux conducteurs qui, selon elle, sont extensibles, auto-réparateurs et biocompatibles. Leur projet a été décrit ce mois-ci dans la revue Science Advance s .

Le conducteur biodégradable offre une nouvelle approche pour la surveillance des patients et l'administration de traitements directement aux tissus et organes où ils sont nécessaires. Par exemple, un patch intelligent fabriqué à partir de ces matériaux pourrait mesurer le mouvement, la température et d'autres données biologiques.

Le matériau pourrait également être utilisé pour créer des patchs de capteurs qui peuvent être implantés à l'intérieur du corps , et même montés à la surface des organes internes. Les matériaux biocompatibles peuvent être conçus pour se dégrader après une période de temps, éliminant ainsi la nécessité d'une procédure invasive pour retirer le capteur ultérieurement.

« Cette nouvelle technologie est un aperçu de l’avenir des soins de santé à distance », déclare Robert Rose , PDG de Rose Strategic Partners, LLC. « La surveillance à distance des patients est une industrie qui en est encore à ses débuts, mais nous voyons déjà la promesse de ce qui est non seulement possible, mais qui se profile à l’horizon. Imaginez un dispositif implanté sur un site chirurgical pour surveiller et signaler la progression de votre guérison interne. S’il est endommagé, le dispositif peut se réparer lui-même et, une fois le travail terminé, il se dissout tout simplement. Cela ressemble à de la science-fiction, mais c’est désormais une réalité scientifique. »

Élastiques autocicatrisants

Après avoir été coupé, un film ressemblant à un ruban a pu se cicatriser en environ 1 minute. Suk-Won Hwang

Le système repose sur deux couches différentes de matériaux flexibles, toutes deux auto-réparatrices : l'une est destinée à la conduction et l'autre est une couche d'élastomère qui sert de substrat pour supporter les capteurs et les circuits nécessaires à la collecte des données. La couche conductrice est basée sur une substance connue sous l'acronyme PEDOT:PSS , qui est l'abréviation de Poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate.

Il s'agit d'un polymère conducteur largement utilisé dans la fabrication d'écrans flexibles et d'écrans tactiles, ainsi que d'appareils portables. Pour augmenter la conductivité du polymère et ses propriétés auto-réparatrices, l'équipe de recherche a utilisé des additifs, notamment du polyéthylène glycol et du glycol, qui ont contribué à augmenter la conductivité ainsi que la capacité du matériau à réparer automatiquement les dommages tels que les coupures ou les déchirures.

Pour s'adapter aux courbes des tissus et résister aux mouvements corporels habituels, la couche de substrat doit être extrêmement flexible. Les chercheurs ont utilisé des élastomères capables d'épouser la forme des tissus courbés, comme la peau ou les organes individuels.

Ces deux couches adhèrent l'une à l'autre grâce à des liaisons chimiques qui peuvent relier les chaînes polymères des films plastiques de chaque couche. Combinés, ces matériaux créent un système flexible et extensible. Lors des tests, les chercheurs ont montré que les matériaux pouvaient résister à un étirement allant jusqu'à 500 pour cent.

La fonction d'auto-réparation découle de la capacité du matériau à se reconnecter à lui-même lorsqu'il est coupé ou endommagé. Cette fonction d'auto-réparation repose sur un processus chimique appelé métathèse disulfure . En bref, les molécules de polymère contenant des paires d'atomes de soufre liés, appelés disulfures , ont la capacité de se reformer après avoir été sectionnées.

Le phénomène résulte d'un processus chimique appelé réactions de mélange disulfure-disulfure, dans lequel les liaisons disulfure de la molécule se brisent puis se reforment, pas nécessairement entre les partenaires d'origine. Selon les chercheurs du KU-KIST, après avoir été coupé, leur matériau a pu récupérer la conductivité de ses circuits en environ deux minutes sans aucune intervention. Le matériau a également été testé pour la flexion, la torsion et sa capacité à fonctionner à la fois dans l'air et sous l'eau.

Cette approche offre de nombreux avantages par rapport à d’autres conceptions électroniques flexibles. Par exemple, des nanofils d’argent et des nanotubes de carbone ont été utilisés comme base pour des dispositifs extensibles, mais ils peuvent être cassants et ne pas avoir les propriétés d’auto-réparation des matériaux KU-KIST. D’autres matériaux tels que les métaux liquides peuvent s’autoréparer, mais ils sont généralement difficiles à manipuler et à intégrer dans des circuits portables.

À titre de démonstration, l'équipe a créé un capteur multifonctions comprenant des capteurs d'humidité, de température et de pression d'environ 4,5 centimètres carrés. Bien qu'il ait été coupé en quatre endroits différents, il a pu se réparer tout seul et continuer à fournir des mesures de capteur.

Implant testé sur un rat

Pour aller plus loin dans la démonstration, les chercheurs ont créé un dispositif de 1,8 cm2 fixé à la vessie d'un rat. Le dispositif a été conçu pour s'enrouler autour de la vessie puis adhérer à lui-même, de sorte qu'aucun adhésif ou suture n'a été nécessaire pour fixer le capteur sur la vessie. L'équipe a choisi la vessie pour ses expériences car, dans des conditions normales, sa taille peut varier de 300 %.

L'appareil comprenait à la fois des électrodes et des capteurs de pression, capables de détecter les changements de pression dans la vessie. Les électrodes pouvaient détecter la miction de la vessie, grâce à des signaux d'électromyographie, et stimuler la vessie pour provoquer la miction. Comme lors de la démonstration initiale, les dommages intentionnels aux circuits de l'appareil se sont réparés d'eux-mêmes, sans intervention.

La nature biocompatible et biodégradable des matériaux est importante car elle signifie que les dispositifs fabriqués avec ces matériaux peuvent être portés sur la peau, ainsi qu'implantés dans le corps. Le fait que les matériaux soient biodégradables signifie que les implants ne nécessiteraient pas une deuxième intervention chirurgicale pour les retirer. Ils pourraient être laissés en place après avoir rempli leur fonction et ils seraient absorbés par le corps.

Selon Suk-Won Hwang , professeur adjoint au KU-KIST, il reste encore quelques obstacles à franchir avant la commercialisation. « Nous devons tester la biocompatibilité de certains des matériaux utilisés dans les couches conductrices et de substrat. Si la production à grande échelle semble réalisable, le coût élevé des dérivés disulfures pourrait rendre la technologie trop onéreuse, hormis certaines applications spéciales », explique-t-il. « Les tests de biocompatibilité et l’optimisation de la synthèse des matériaux prendront au moins un à deux ans. »

https://spectrum.ieee.org/biodegradable-electronics

http://hwang.korea.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=0401&wr_id=81