Un transistor biocompatible et extensible pour dispositifs implantables
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Circuit semi-conducteur et logique extensible pour dispositifs bioélectroniques flexibles implantables. (a) Illustration schématique du semi-conducteur extensible biocompatible, obtenu en combinant un polymère semi-conducteur organique (DPPT-TT) avec un élastomère de qualité médicale (BIIR) par un procédé de mélange-vulcanisation. (b) Photographie d'un circuit logique (inverseur) fabriqué à partir du semi-conducteur développé, implanté par voie sous-cutanée chez une souris de laboratoire, avec courbes de caractéristiques de transfert de tension (VTC) mesurées avant et après implantation. Crédit : Jung, KH et al. Transistor organique élastomère biocompatible pour dispositifs électroniques implantables. Nature Electronics DOI : 10.1038/s41928-025-01444-9
Les récentes avancées technologiques ont ouvert de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs biomédicaux avancés, implantables dans le corps humain. Ces dispositifs pourraient permettre de surveiller des signaux biologiques offrant un aperçu de l'évolution de pathologies spécifiques, voire de modifier des processus physiologiques problématiques.
Malgré leur potentiel pour le diagnostic et le traitement de certaines pathologies, la plupart des dispositifs implantables développés à ce jour reposent sur des composants électroniques rigides. Ces composants peuvent endommager les tissus internes de l'organisme ou provoquer une inflammation.
Certains ingénieurs électroniciens tentent de développer des dispositifs électroniques implantables alternatifs à base de matériaux souples et extensibles, comme les polymères. Cependant, la plupart des polymères et matériaux élastiques connus ne sont pas biocompatibles, ce qui signifie qu'ils peuvent provoquer des réponses immunitaires et nuire à la croissance cellulaire.
Des chercheurs de l'Université Kyung Hee, de l'Université Sungkyunkwan et d'autres instituts en Corée du Sud ont présenté un nouveau transistor organique, un dispositif qui module le flux de courant électrique dans les circuits, qui semble être à la fois extensible et biocompatible.
Leur dispositif , présenté dans un article de Nature Electronics , a été fabriqué à partir d’un mélange de fibres semi-conductrices extrêmement fines et d’un matériau élastique composite biocompatible.
« Depuis plus d'une décennie, notre groupe travaille sur des semi-conducteurs intrinsèquement extensibles qui peuvent s'allonger comme la peau humaine tout en fonctionnant comme des transistors », a déclaré Jin Young Oh, auteur principal de l'article.
Malgré les progrès réalisés en matière d'extensibilité mécanique, une limitation majeure subsistait : la plupart des élastomères utilisés en recherche étaient de qualité industrielle et manquaient de biocompatibilité réelle pour une implantation sûre à long terme. Ce défi nous a incités à repenser fondamentalement les matériaux.
Les chercheurs impliqués dans le développement du nouveau transistor explorent depuis un certain temps déjà l’utilisation de semi-conducteurs organiques et d’élastomères médicaux pour le développement de dispositifs biomédicaux.
S'appuyant sur leurs travaux antérieurs, ils ont tenté de réaliser le premier transistor extensible, mais qui peut également être inséré en toute sécurité à l'intérieur du corps sans provoquer d'inflammation ni endommager les tissus.
« Notre transistor est construit à partir d'un composite d'un polymère semi-conducteur haute performance (DPPT-TT) et d'un caoutchouc de qualité médicale appelé caoutchouc isobutylène-isoprène bromé (BIIR) », a expliqué Oh.
Grâce à un procédé de vulcanisation, une méthode classique de réticulation du caoutchouc, nous avons créé un réseau de nanofibres semi-conductrices intégrées dans une matrice élastique et biocompatible. Cette architecture assure à la fois un transport de charge stable et une souplesse mécanique exceptionnelle.
Les chercheurs ont conçu des électrodes à double couche pour leur appareil, composées d’argent et d’or, deux matériaux conducteurs, chimiquement stables et qui ne se corrodent pas lorsqu’ils sont placés dans des fluides corporels pendant des périodes prolongées.
Lors des premiers tests, ils ont découvert que leur transistor pouvait s'étirer jusqu'à 50 % de contrainte, supportant avec succès 10 000 cycles d'étirement tout en fonctionnant normalement.
Oh et ses collègues ont également implanté leur dispositif sous la peau de souris afin d'évaluer ses performances et sa sécurité en milieu biologique. Ils ont constaté que le transistor fonctionnait remarquablement bien, tout en s'adaptant aux tissus des animaux et en résistant à la dégradation au contact des fluides biologiques.
« Nous avons démontré non seulement un fonctionnement stable du dispositif en conditions physiologiques, mais aussi une excellente sécurité in vitro et in vivo, sans inflammation ni encapsulation fibreuse après 30 jours d'implantation », précise Oh. « Nous avons également validé les portes logiques et les matrices actives, prouvant ainsi l'évolutivité de la plateforme. »
Le transistor souple et biocompatible développé par cette équipe de chercheurs pourrait bientôt servir à la conception d'une large gamme de produits électroniques, notamment des biocapteurs capables de surveiller les processus physiologiques, des implants intelligents pour l'administration précise de médicaments, des prothèses reliant le cerveau à des membres robotisés, et même de nouveaux types d'appareils grand public.
« Nos prochaines études suivront deux directions distinctes », assure Oh. « Côté matériel, nous visons à améliorer encore les performances, l'évolutivité et l'intégration des transistors dans des circuits complexes tels que les architectures logiques en mémoire. Côté biomédical, nous prévoyons des études in vivo approfondies pour valider la sécurité et la fiabilité à long terme. »
À terme, Oh et ses collègues aimeraient également explorer la possibilité d'utiliser leur transistor pour créer des dispositifs implantables inspirés du cerveau. Par exemple, ils imaginent de nouveaux systèmes économes en énergie et alimentés par l'IA, capables de détecter l'environnement corporel et d'effectuer des prédictions à partir des données collectées.
« À terme, nous envisageons de combiner les avancées matérielles avec des logiciels basés sur l’IA pour créer des dispositifs électroniques implantables auto-apprenants », a ajouté Oh.