Le conducteur extensible ultrafin basé sur du PDMS (1) et des microfissures en Au créées par les chercheurs. (A) Illustration de la structure du conducteur. (B) Résultat du profil de surface du conducteur, montrant une épaisseur de ~1,3 µm. (C) Variation de la résistance du conducteur sous une série de déformations. Crédit : Jiang et al.
- Le Polydiméthylsiloxane appelé PDMS ou diméthicole est un polymère très utilisé pour la fabrication et le prototypage de puces microfluidiques.
Ces dernières années, les ingénieurs se sont efforcés de développer des composants électroniques de plus en plus sophistiqués et de plus en plus petits qui pourraient alimenter les appareils du futur. Il s’agit notamment de composants fins et extensibles qui pourraient être facilement portés sur la peau ou implantés dans le corps humain.
Des chercheurs du RIKEN, de l’Université technologique de Nanyang, de l’Université nationale de Singapour, de l’Université de Tokyo et d’autres instituts au Japon, à Singapour et en Chine ont récemment réalisé un nouveau conducteur électrique élastique d’une épaisseur de 1,3 micromètre. Ce conducteur, présenté dans un article publié dans Nature Electronics, pourrait faire progresser le développement de capteurs portables et implantables.
« Les dispositifs électroniques ultraminces peuvent former une interface conforme avec des surfaces courbes, ne sont pas perceptibles par l’homme lorsqu’il les porte et n’induisent pas de fort rejet de corps étrangers (FBR) lorsqu’ils sont implantés chez l’animal », a déclaré Zhi Jiang, l’un des chercheurs qui a réalisé l’étude.
« Auparavant, les dispositifs électroniques ultraminces étaient construits sur des films plastiques, tels que le polyimide, le parylène et le SU8. Cependant, dans les applications portables et implantables, les dispositifs peuvent subir des déformations avec la peau humaine et certains organes (par exemple, le cœur, les muscles et les nerfs), ils doivent donc être extensibles. »
Le principal objectif des travaux récents de Jiang et de ses collègues était de créer un matériau extensible capable de supporter le fonctionnement stable de dispositifs électroniques ultraminces portables et implantables pendant de longues périodes. Pour ce faire, ils ont créé un film de 1,2 μm d’épaisseur en utilisant un élastomère approuvé par la FDA, appelé polydiméthylsiloxane (PDMS). Ils ont ensuite utilisé ce film comme alternative aux films plastiques généralement utilisés pour créer des dispositifs électroniques biocompatibles.
« Auparavant, tous les conducteurs PDMS-Au utilisaient des films PDMS épais (de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres d’épaisseur), qui présentaient de mauvaises interfaces avec la peau humaine texturée et les organes de petite dimension (nerfs sciatiques et faisceaux musculaires) », a déclaré Zhi Jiang.
« De plus, la peau humaine a besoin de respirer à tout moment, et la perméabilité au gaz des films épais de PDMS n’est pas assez élevée pour le permettre. En réduisant l’épaisseur à 1,2 μm, les films PDMS ultraminces ont montré une perméabilité au gaz élevée qui n’a pas entravé la respiration de la peau. »
Pour créer leur conducteur élastique, les chercheurs ont d’abord créé un film de PDMS de 1,2 μm d’épaisseur en utilisant une technique connue sous le nom de spin coating. Ils ont ensuite transféré ce film ultrafin sur un verre revêtu de PDMS de 100 μm d’épaisseur et ont évaporé thermiquement une couche d’or (Au) de 50 nm d’épaisseur.
Images de capteurs ultraminces formant un contact stable et sans faille avec la peau humaine dans des conditions de sécheresse et de rinçage à l’eau et avec un nerf sciatique de rat.
« En utilisant un masque d’ombre, nous avons pu modeler nos conducteurs et former des réseaux d’électrodes multicanaux avec une haute résolution (100 µm) », a précis Zhi Jiang. « Ensuite, en utilisant un autre film PDMS ultrafin comme couche d’encapsulation, nous avons exposé sélectivement de petites surfaces d’Au comme sites d’électrodes. L’encapsulation s’est produite par la liaison étroite de deux films de PDMS après le traitement au plasma d’O2. »
Grâce à sa conception unique de microfissures, le matériau PDMS-Au de l’équipe s’est révélé très extensible, bien plus que les films plastiques testés dans le passé. Fait remarquable, son processus de fabrication est également très compatible avec les méthodes de fabrication microélectronique existantes, ce qui pourrait faciliter sa production à grande échelle.
« En comparant des électrodes de différentes épaisseurs pour les interfaces sur la peau et les nerfs, nous avons démontré qu’une interface sans soudure peut contribuer à la fois à l’administration du stimulus électrique et aux processus d’enregistrement du signal électrique », a déclaré Jiang. « Pour la première fois, l’interface entre les dispositifs électroniques et les tissus s’avère extrêmement importante pour les nerfs. Notre étude et le phénomène que nous avons mis en évidence devraient donc être perspicaces pour la création d’autres interfaces dispositif/tissu. »
La stratégie de croissance des microfissures d’or sur le PDMS utilisée par Jiang et ses collègues a permis d’obtenir un matériau qui peut être étiré jusqu’à 300 %, tout en conservant ses capacités conductrices. À l’avenir, cette stratégie pourrait être utilisée par d’autres chercheurs pour concevoir d’autres matériaux étirables à base de microfissures.
En outre, le nouveau conducteur présenté dans cet article récent pourrait être utilisé pour créer des dispositifs microélectroniques portables et implantables plus fiables. L’équipe l’a déjà utilisé pour fabriquer des électrodes respirantes et résistantes à l’eau qui peuvent être appliquées sur la peau humaine, ainsi que des capteurs de 3 µm d’épaisseur capables de détecter des forces mécaniques et des électrodes nerveuses implantables.
« Nous explorons maintenant deux grandes directions de recherche », a ajouté M. Jian. « La première vise à améliorer encore les performances de nos conducteurs élastiques ultrafins du point de vue de l’ingénierie des dispositifs. Deuxièmement, nous travaillons avec des biologistes pour explorer le potentiel de nos dispositifs électroniques élastiques ultrafins en tant qu’outil puissant pour comprendre les phénomènes biologiques. »
