Un capteur semblable à la peau surveille les mouvements internes et externes du corps, ainsi que les signaux électriques
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UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — Un nouveau capteur semblable à la peau développé par une équipe internationale dirigée par des chercheurs de Penn State pourrait aider les médecins à surveiller les signes vitaux avec plus de précision, à suivre la guérison après une intervention chirurgicale et même à aider les patients souffrant de problèmes de contrôle de la vessie.
Le capteur, qui peut être porté sur la peau ou implanté dans le corps, mesure à la fois les mouvements physiques et les signaux électriques. Fabriqué à partir de matériaux souples et extensibles imitant la peau humaine, il est conçu pour fonctionner longtemps sans perte de performance.
« Généralement, lorsqu'on essaie de combiner différents matériaux pour obtenir le meilleur des deux mondes, il faut faire un compromis », explique Huanyu « Larry » Cheng, professeur associé James L. Henderson, Jr. Memorial en sciences de l'ingénieur et en mécanique à Penn State et co-auteur principal de l'étude publiée dans Advanced Functional Materials . « Grâce à cette conception, nous avons pu éviter ce problème. Nous avons obtenu une faible résistance de contact avec la peau, une sensibilité élevée, une extensibilité et une stabilité à long terme, le tout dans un seul dispositif. »
La plupart des capteurs reposent uniquement sur la conduction électrique, qui déplace les électrons à travers les matériaux métalliques ou carbonés. Ce capteur bimodal combine deux types de conductivité : la conduction électrique et la conduction ionique, qui déplace les atomes chargés dans un liquide. Cette combinaison lui permet d'interagir plus naturellement avec le corps, notamment pour une utilisation interne en milieu humide et riche en ions, selon Cheng.
« La conductivité ionique est plus compatible avec le corps », a déclaré Cheng. « Elle permet au capteur de mieux adhérer, notamment à l'intérieur du corps, et nous offre des signaux de meilleure qualité. »
L'équipe a construit le capteur en combinant des structures organométalliques en forme de fleur, des nanotubes de carbone et un matériau souple semblable à du caoutchouc rempli de liquide ionique. Cette combinaison confère au capteur des performances et une flexibilité élevées, tout en réduisant l'usure interne au fil du temps, a expliqué Cheng.
L'un des principaux avantages de cette conception est sa capacité à détecter aussi bien les mouvements importants, comme la flexion du poignet, que les plus petits, comme les vibrations musculaires subtiles. Elle peut également enregistrer l'activité électrique, comme les signaux cardiaques ou les ondes cérébrales. Cela la rend utile pour un large éventail d'applications médicales et de bien-être, a déclaré Cheng, soulignant qu'un domaine particulièrement prometteur est la surveillance de la fonction vésicale.
L'équipe a testé le capteur sur un modèle rongeur, mesurant à la fois l'étirement de la vessie et l'activité électrique des muscles environnants. Ces données, si elles sont appliquées à l'homme, pourraient aider les patients souffrant de troubles du contrôle de la vessie, selon Cheng.
« Grâce à cette interface, nous pouvons extraire des informations de la surface de la vessie et potentiellement fournir une stimulation électrique », précise Cheng. « Cela signifie que nous pourrions surveiller le problème et le traiter simultanément. »
Étant donné que le capteur fonctionne aussi bien dans des environnements secs qu’humides, il peut être utilisé sur la peau ou implanté sans nécessiter de matériaux ou de conceptions différents.
« Il n'est pas nécessaire de choisir un matériau pour l'extérieur et un autre pour l'intérieur du corps », assure Songfang Zhao, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Jinan et co-auteur de l'étude. « Ce capteur fonctionne bien dans les deux conditions. »
Les tests ont montré que le capteur pouvait supporter des milliers de cycles d'étirement sans perte de performance. Il a également capturé avec précision les mouvements courants tels que la flexion du poignet, la flexion du genou et même les mouvements de la gorge pendant la parole ou la déglutition. Comparé aux capteurs commerciaux, Cheng a déclaré qu'il était aussi performant, voire meilleur, pour mesurer l'activité cardiaque, musculaire et oculaire.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'aller au-delà de la surveillance grâce au capteur. Cheng a expliqué qu'ils souhaitaient créer un système capable non seulement de détecter un problème, mais aussi de délivrer un traitement automatiquement.
« Si nous pouvons ajouter la possibilité d'administrer une stimulation électrique, nous pourrions boucler la boucle », a déclaré Cheng, expliquant comment les travaux futurs pourraient ouvrir la voie à des applications plus larges. « Le capteur détecterait un signal, déciderait de la réaction à adopter et déclencherait une réponse, comme une stimulation nerveuse ou une stimulation cardiaque. … Avec cet appareil, nous pourrions passer de la simple collecte de données de santé à une véritable aide à l'autoguérison du corps. »