Un capteur intelligent en graphène auto-alimenté simplifie la surveillance des plaies
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Le matériau ultra-mince fabriqué au laser permet un suivi précis et autonome des plaies en cours de cicatrisation
Le capteur flexible, idéal pour une utilisation dans le corps humain, utilise du graphène induit par laser pour mesurer simultanément mais séparément la température et la tension, ce qui permet potentiellement une meilleure surveillance de la cicatrisation des plaies en fournissant des informations plus claires sur l'inflammation et la récupération.
L'un des principaux défis des capteurs portables auto-alimentés destinés à la surveillance des soins de santé est de distinguer différents signaux lorsqu'ils se produisent en même temps. Des chercheurs de l'Université Penn State et de l'Université de technologie Hebei en Chine ont abordé ce problème en découvrant une nouvelle propriété d'un matériau de capteur, ce qui a permis à l'équipe de développer un nouveau type de capteur flexible capable de mesurer avec précision la température et la contrainte physique simultanément mais séparément pour identifier plus précisément différents signaux.
« Ce matériau de capteur unique que nous avons développé a des applications potentiellement importantes dans le domaine de la surveillance des soins de santé », a déclaré Huanyu « Larry » Cheng, professeur associé James L. Henderson, Jr. Memorial de sciences de l'ingénierie et de mécanique (ESM) à Penn State et co-auteur correspondant de l'étude publiée dans Nature Communications . « En mesurant avec précision les changements de température et la déformation physique ou la tension créée par une plaie en voie de cicatrisation et en mesurant cela en séparant les deux signaux, cela pourrait révolutionner le suivi de la cicatrisation des plaies. Les médecins pourraient obtenir une image beaucoup plus claire du processus de cicatrisation, en identifiant des problèmes comme l'inflammation à un stade précoce. »
Les chercheurs ont cherché à mesurer avec précision les signaux de température et de contrainte sans interférence en utilisant du graphène induit par laser, un matériau bidimensionnel (2D). Comme tous les matériaux 2D, y compris le graphène ordinaire, le graphène induit par laser a une épaisseur d'un à quelques atomes et présente des propriétés uniques, mais avec une particularité.
Le graphène induit par laser (LIG: Laser-induced graphene) se forme lorsqu'un laser chauffe certains matériaux riches en carbone, comme le plastique ou le bois, de manière à convertir leur surface en une structure de graphène. Le laser « écrit » essentiellement le graphène directement sur le matériau, ce qui en fait un moyen simple et évolutif de produire des motifs de graphène pour l'électronique, les capteurs et les appareils énergétiques.
Le LIG a déjà été utilisé dans diverses applications. Auparavant, Cheng et son équipe ont utilisé le LIG pour des capteurs de gaz , des détecteurs électrochimiques pour l'analyse de la sueur , des supercondensateurs , etc. Cependant, les chercheurs ont déclaré qu'ils pensaient avoir découvert pour la première fois une nouvelle propriété du LIG qui le rend idéal pour un capteur polyvalent et précis.
« Dans cette étude particulière, nous avons découvert par hasard que ce matériau possède également des propriétés thermoélectriques », a déclaré Cheng. « Nous pensons que c’est la première fois que quelqu’un signale que le graphène induit par laser possède des capacités thermoélectriques. Et c’est vraiment important pour ce que nous essayons de faire ici, qui est de mesurer séparément les changements de température et la contrainte ou déformation physique. »
Les propriétés thermoélectriques d'un matériau font référence à la capacité à convertir les différences de température en tension électrique et vice versa, ce qui permet d'utiliser ces matériaux pour des applications telles que la récupération d'énergie et la détection de température. Selon Cheng, cette nouvelle propriété thermoélectrique identifiée du LIG permet de séparer facilement les deux mesures du capteur et est idéale pour les applications de soins de santé telles qu'un capteur intégré dans un pansement.
« Lorsque les matériaux sont sensibles à la fois à la température et à la contrainte, il peut être difficile de déterminer quel signal est à l’origine des changements dans le matériau », explique Cheng. « Mais en utilisant cet effet thermoélectrique dans le graphène induit par laser, nous pouvons essentiellement découpler ces deux mesures. Nous pouvons examiner la résistance électrique pour obtenir des informations sur la contrainte, tout en mesurant la tension thermique pour déterminer la température. C’est pourquoi les médecins pourraient l’utiliser pour suivre à la fois les fluctuations de température et les changements physiques au niveau de la plaie et donner une image beaucoup plus claire de la progression de la cicatrisation. »
Il a également noté que le capteur est très sensible, détectant des changements de température aussi faibles que 0,5 degré Celsius. La conception du matériau tire parti de la façon dont le graphène poreux et les composants thermoélectriques fonctionnent ensemble, ce qui le rend presque quatre fois plus efficace pour convertir la chaleur en électricité. Le capteur peut également s'étirer jusqu'à 45 %, ainsi que s'adapter à différentes formes et surfaces, sans perdre sa fonction.
« La structure poreuse de ce matériau crée de nombreux petits espaces et canaux qui lui permettent d'interagir avec son environnement d'une manière très sensible », a déclaré Cheng. « Cela le rend bien adapté à l'interface avec les tissus mous humains, contrairement aux matériaux thermoélectriques plus rigides, tels que ceux à base de céramique. »
Comme l'aspect thermoélectrique du LIG signifie également qu'il peut générer de l'électricité en cas de différence de température, les capteurs LIG sont auto-alimentés. Selon Cheng, cela pourrait être particulièrement utile pour la surveillance continue dans les milieux cliniques et pour d'autres applications, comme la détection d'incendies dans des endroits éloignés.
En plus de perfectionner le capteur, l'équipe développe un système sans fil qui permettra de surveiller les données du capteur à distance. Cela permettra de suivre des informations importantes, comme la température ou la tension, en temps réel à l'aide de smartphones ou d'autres appareils.
« Par exemple, un médecin pourrait surveiller l'état d'un patient à distance, ou les intervenants d'urgence pourraient recevoir des alertes en cas de changement de température dangereux », précise Cheng. « Ces avancées visent à rendre la technologie plus accessible et plus efficace, contribuant ainsi à améliorer la surveillance de la santé et la sécurité dans les situations quotidiennes. »