Photographie au microscope numérique d’un film stratifié alterné à 5 couches de films polymères dynamiques non miscibles qui ont été endommagés, alignés de manière autonome, autocicatrisés et ensuite séparés sur un sujet non autocicatrisé (pour montrer l’emplacement des dommages). Crédit : Bao Group, Stanford U.
La peau humaine est étonnante. Elle perçoit la température, la pression et la texture. Elle est capable de s’étirer et de se ressouder, encore et encore. Et elle constitue une barrière entre le corps et les menaces extérieures – bactéries, virus, toxines, rayons ultraviolets, etc. Les ingénieurs sont donc très intéressés par la création de peaux synthétiques. Ils imaginent des robots et des prothèses dotés de qualités semblables à celles de la peau, dont la remarquable capacité de cicatrisation n’est pas la moindre.
« Nous avons réalisé ce que nous pensons être la première démonstration d’un capteur multicouche à couche mince qui se réaligne automatiquement pendant la cicatrisation. Il s’agit d’une étape essentielle pour imiter la peau humaine, qui comporte plusieurs couches qui se réassemblent toutes correctement au cours du processus de cicatrisation », a déclaré Chris Cooper, candidat au doctorat à l’université de Stanford qui, avec le chercheur postdoctoral Sam Root, est coauteur d’une nouvelle étude publiée dans la revue Science.
La stratification est essentielle pour imiter les nombreuses qualités de la peau. « La peau est douce et extensible. Mais si vous la perforez, la tranchez ou la coupez, chaque couche se cicatrise sélectivement pour rétablir la fonction globale », explique Sam Root. « Tout comme la vraie peau ».
La peau est elle aussi constituée de couches. Elle est simplement dotée de mécanismes immunitaires évolués qui reconstruisent le tissu avec la structure en couches d’origine grâce à un processus complexe impliquant la reconnaissance et la signalisation moléculaires.
« Avec une véritable « peau », les couches devraient se réaligner naturellement et de manière autonome », explique M. Cooper.
Selon Sam Root, l’équipe, dirigée par le professeur Zhenan Bao de l’université de Stanford, pourrait être en mesure de créer une peau synthétique à plusieurs niveaux avec des couches fonctionnelles individuelles d’une épaisseur d’un micron chacune, voire moins. Cette finesse est telle qu’une pile de 10 couches ou plus ne serait pas plus épaisse qu’une feuille de papier. « Une couche pourrait détecter la pression, une autre la température et une autre encore la tension », explique Sam Root. Les matériaux des différentes couches peuvent être conçus pour détecter les changements thermiques, mécaniques ou électriques.
Assemblage magnétique des fibres cœur-coquille. Soudage thermique de la fibre assemblée à 70°C pendant 5 minutes à l’aide d’un pistolet thermique. Le dispositif soudé est plié, tordu et étiré pour montrer sa robustesse mécanique. Crédit : Bao Group, Université de Stanford
Une nouvelle approche
« Nous avons présenté la première peau électronique synthétique multicouche autocicatrisante en 2012 dans la revue Nature Nanotechnology », explique Zhenan Bao. « Depuis lors, la recherche de peaux synthétiques multicouches a suscité beaucoup d’intérêt dans le monde entier. » Ce qui distingue leur travail actuel, c’est que les couches se reconnaissent elles-mêmes et s’alignent sur les couches similaires au cours du processus de guérison, rétablissant la fonctionnalité couche par couche au fur et à mesure de la guérison. Les peaux synthétiques autocicatrisantes existantes doivent être réalignées manuellement par des humains. Le moindre défaut d’alignement des couches peut compromettre la récupération fonctionnelle.
Le secret réside dans les matériaux. L’ossature de chaque couche est formée de longues chaînes moléculaires reliées périodiquement par des liaisons hydrogène dynamiques, semblables à celles qui maintiennent ensemble la double hélice des brins d’ADN, ce qui permet au matériau de s’étirer de façon répétée sans se déchirer. Le caoutchouc et le latex sont deux polymères naturels bien connus, mais il existe également d’innombrables polymères synthétiques. La clé consiste à concevoir des structures moléculaires de polymères et à choisir la bonne combinaison pour chaque couche – la première couche d’un polymère, la seconde d’un autre et ainsi de suite.
Les chercheurs ont utilisé du PPG (polypropylène glycol) et du PDMS (polydiméthylsiloxane, mieux connu sous le nom de silicone). Ils peuvent être mélangés avec des nanoparticules ou des microparticules pour permettre la conductivité électrique. Il est essentiel que les polymères choisis et leurs composites respectifs ne soient pas miscibles, c’est-à-dire qu’ils ne se mélangent pas les uns aux autres, mais qu’en raison de la liaison hydrogène, ils adhèrent bien les uns aux autres pour créer un matériau multicouche durable.
Les deux polymères présentent l’avantage de se ramollir et de s’écouler lorsqu’ils sont chauffés, mais de se solidifier lorsqu’ils refroidissent. Ainsi, en réchauffant la peau synthétique, les chercheurs ont pu accélérer le processus de cicatrisation. À température ambiante, la cicatrisation peut prendre jusqu’à une semaine, mais lorsqu’elle est chauffée à 70 °C, l’auto-alignement et la cicatrisation se produisent en 24 heures environ. Les deux matériaux ont été soigneusement conçus pour avoir des réponses visqueuses et élastiques similaires aux contraintes externes dans une plage de température appropriée.
« La peau aussi est lente à cicatriser. Je me suis coupé le doigt l’autre jour et la cicatrisation n’était pas terminée quatre ou cinq jours plus tard », explique M. Cooper. « Pour nous, le plus important est qu’elle guérisse pour retrouver ses fonctions sans que nous ayons à intervenir ou à faire des efforts.
Des morceaux de peau synthétique sont attirés l’un vers l’autre par magnétisme ; la conductivité électrique revient au fur et à mesure qu’ils guérissent, et la DEL s’allume. Crédit : Bao Group, Stanford U.
Un pas de plus
Avec un prototype réussi, les chercheurs sont allés plus loin, en collaboration avec le professeur Renee Zhao de l’université de Stanford, en ajoutant des matériaux magnétiques à leurs couches de polymères, ce qui a permis à la peau synthétique non seulement de cicatriser, mais aussi de s’auto-assembler à partir de pièces séparées. « En combinant la navigation guidée par champ magnétique et le chauffage par induction », explique Mr Zhao, « nous pourrions être en mesure de construire des robots souples reconfigurables capables de changer de forme et de détecter leur déformation à la demande ».
« Notre vision à long terme est de créer des appareils capables de se remettre de dommages extrêmes. Imaginez, par exemple, un appareil qui, une fois déchiré en morceaux et mis en pièces, pourrait se reconstruire de manière autonome », explique M. Cooper en montrant une courte vidéo de plusieurs morceaux de peau synthétique stratifiée immergés dans l’eau. Attirés par le magnétisme, les morceaux se rapprochent les uns des autres et finissent par se reconstituer. Au fur et à mesure qu’ils guérissent, leur conductivité électrique est rétablie, et une diode électroluminescente fixée au sommet du matériau s’allume pour le prouver.
Des morceaux de peau synthétique stratifiée sont immergés dans l’eau. Attirés magnétiquement l’un vers l’autre, les morceaux se réassemblent. Au fur et à mesure de leur cicatrisation, leur conductivité électrique se rétablit et une diode électroluminescente fixée au sommet du matériau s’allume pour le démontrer. Crédit : Bao Group, Université de Stanford
Parmi les prochaines étapes, les chercheurs s’efforceront de rendre les couches aussi fines que possible et de créer des couches aux fonctions variées. Le prototype actuel a été conçu pour détecter la pression, et des couches supplémentaires conçues pour détecter les changements de température ou les déformations pourraient être incluses.
En termes de vision future, l’équipe imagine, potentiellement, des robots qui pourraient être avalés en pièces détachées et s’auto-assembler à l’intérieur du corps pour effectuer des traitements médicaux non invasifs. D’autres applications incluent des peaux électroniques multisensorielles et autocicatrisantes qui s’adaptent aux robots et leur donnent un sens du toucher.
https://techxplore.com/news/2023-06-layers-self-healing-electronic-skin-autonomously.html
