Les scientifiques développent une peau électronique épifluide imprimée en 3D.

28 septembre 2023

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par Tejasri Gururaj, Phys.org

Dans une étude récente publiée dans Science Advances, des chercheurs de l'Institut de technologie de Californie, dirigés par le Dr Wei Gao, ont développé une peau électronique épi-fluidique imprimée en 3D, alimentée par l'apprentissage automatique (ML), pour la surveillance multimodale de la santé. Cette plateforme portable permet une surveillance physique et chimique en temps réel de l'état de santé.

Les dispositifs de santé portables ont le potentiel de révolutionner le monde médical en offrant un suivi en temps réel, des traitements personnalisés et un diagnostic précoce des maladies.

Cependant, l'un des principaux défis de ces dispositifs est qu'ils ne suivent pas les données au niveau moléculaire et leur fabrication est difficile. Le Dr Gao a expliqué pourquoi cela a servi de motivation pour leur équipe.

« De nos jours, il y a un intérêt croissant pour la recherche en matière de soins de santé personnalisés afin de révolutionner les pratiques médicales traditionnelles. Pour surmonter ces défis, nous utilisons notre technologie d'impression 3D pour créer des composants essentiels, tels que des capteurs physiques, des capteurs chimiques, des microfluidiques et des supercondensateurs, pour notre plateforme portable », a déclaré le Dr Gao à Phys.org.

Le Dr Gao et son équipe ont fait exactement cela en réalisant la production de masse d'une plateforme portable appelée e3-skin, qui est imprimée en 3D sur des matériaux personnalisés.

e3-skin : une peau électronique épi-fluidique imprimée en 3D

Le nom e3-skin est dérivé de "peau électronique épi-fluidique élastique". Il s'agit d'un système portable imprimé en 3D qui surveille en continu divers paramètres physiologiques et prédit les réponses comportementales.

Le Dr Gao a expliqué les différents composants de l'e3-skin en disant : "Tous les principaux composants de la plateforme portable, y compris les capteurs physiques, les capteurs chimiques, les microfluidiques et les micro-supercapaciteurs de stockage d'énergie, peuvent être rapidement préparés par impression 3D par extrusion de divers matériaux fonctionnels."

La particularité de l'e3-skin réside dans les capteurs biochimiques imprimés en 3D et le système microfluidique. L'intégration de la technologie d'impression 3D est un aspect central de la création de l'e3-skin.

L'impression 3D offre une précision et une personnalisation, permettant aux chercheurs de concevoir et de fabriquer précisément des composants essentiels. Cela a simplifié la production et permis l'intégration de structures et de matériaux complexes, notamment les capteurs biochimiques imprimés en 3D et les microfluidiques.

Le Dr Gao a poursuivi en expliquant : "Les capteurs biochimiques portables peuvent fournir des informations de santé cruciales au niveau moléculaire. Associés à des capteurs biophysiques, ils peuvent fournir des informations plus complètes sur notre état de santé."

De plus, l'utilisation de la microfluidique, la science de la manipulation et du contrôle de petites quantités de fluides dans de petits canaux ou dispositifs, les a aidés à analyser les biomarqueurs dans la sueur humaine. La microfluidique peut induire la transpiration automatiquement par iontophorèse, la collecter sans nécessiter d'activité pénible, réduire au minimum l'évaporation de la transpiration et faciliter l'analyse biochimique en temps réel avec des échantillons de transpiration fraîche.

Les capacités de l'e3-skin vont au-delà de ses composants matériels. Il intègre des algorithmes d'apprentissage automatique (ML), qui jouent un rôle central dans sa fonctionnalité. Mais avant de se plonger dans le ML, il est essentiel de comprendre le matériau remarquable qui rend l'e3-skin possible : le MXene.

Le MXene, une famille de matériaux bidimensionnels, est un matériau polyvalent connu pour ses propriétés uniques. Le Ti3C2Tx (MXene) aqueux a servi d'encre pour imprimer en 3D les interconnexions et les capteurs biophysiques dans l'e3-skin.

L'équipe a utilisé le MXene pour résoudre une limitation des systèmes portables actuels. Selon les mots du Dr Gao, "La plupart des systèmes portables actuels reposent sur des piles, qui sont rigides, encombrantes et insuffisantes, nécessitant un remplacement fréquent."

Pour remédier à cette limitation, l'e3-skin intègre une cellule solaire, récupérant l'énergie de la lumière ambiante et la stockant efficacement dans des micro-supercapaciteurs à base de MXene imprimés en 3D. Cette innovation permet un fonctionnement durable sans batterie pour la surveillance de la santé à long terme pendant les activités quotidiennes.

Les nanofeuilles de MXene possèdent des propriétés telles que des surfaces négativement chargées et une hydrophilicité, ce qui leur permet de se disperser et de rester stables dans l'eau. Cela permet une impression précise, les filaments de MXene ayant des largeurs de ligne ajustables et la capacité d'adhérer à des substrats flexibles, comme la peau humaine.

Dr. Gao further emphasized, 'The printed MXene filaments can form uniform arrays with intricate patterns, enabling the creation of complex structures within the e3-skin.'

MXene's versatility extends to temperature sensing, with sensors exhibiting a negative temperature coefficient and wear stability.

For pulse monitoring, MXene, in combination with carbon nanotubes, forms sensors with customizable foam designs, ensuring high sensitivity and durability. Notably, this enables reliable radial pulse monitoring on human subjects.

Furthermore, the e3-skin's capabilities extend to predicting behavioral responses to alcohol consumption, which they demonstrated. Dr. Gao stated, 'In our case, we used the e3-skin to collect both sweat alcohol and vital signs (such as heart rate and skin temperature) information, providing more comprehensive insight into behavioral responses.'

ML analyzes this data to predict an individual's response time and degree of impairment. Sweat alcohol plays a pivotal role in predicting response time, while heart rate complements sweat alcohol for more accurate impairment prediction.

e3-skin shows great promise, harvesting the best of ML, materials, and medicine. 'e3-skin provides exciting opportunities to advance wearable biosensors toward practical applications in modern health care,' highlighted Dr. Gao.

With its continuous monitoring of vital biomarkers and extensive data collection, it has the potential to predict cognitive and behavioral impairments and monitor various health aspects.

The data collected by the e3-skin could enhance personalized health care by allowing early warning, early diagnosis, and timely intervention to maximize health outcomes.

Dr. Gao concluded by stating, 'The large sets of data collected by such multimodal wearable devices in daily activities coupled with modern ML algorithms can extract the underlying relationship of the biomarker level with complex health conditions.

'Thereby, it promises to reshape the field of wearable health monitoring and empower data-driven personalized health care.'

Journal information: Science Advances

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