La fabrication de dispositifs médicaux à partir de matériaux biocompatibles et biodégradables représente un domaine en pleine expansion. Cependant, les méthodes actuelles de production de biofilms piézoélectriques sont souvent lentes et coûteuses, limitant ainsi leur application à grande échelle. Comment pourrait-on accélérer ce processus pour répondre aux besoins croissants en matière de dispositifs médicaux innovants ?
Une équipe de recherche de l’École d’ingénierie de l’Université des Sciences et Technologies de Hong Kong (HKUST) a développé une imprimante thermique-électrique par aérosol (TEA) qui accélère considérablement la fabrication de biofilms piézoélectriques. Cette technologie permet d’atteindre des vitesses de production qui surpassent de deux ordres de grandeur celles des technologies existantes. Leur innovation facilite la production industrielle d’électronique biocompatible et biodégradable, ouvrant la porte à des applications médicales telles que les récolteurs d’énergie ultrasonique pour les patients cardiaques postopératoires.
Les matériaux piézoélectriques et leurs défis
Les matériaux piézoélectriques biomédicaux sont capables de générer une polarisation électrique en réponse à des déformations mécaniques. Leur utilisation potentielle dans les systèmes bio-microélectromécaniques, les dispositifs électroniques portables ou implantables, et la thérapeutique des tissus biologiques suscite un intérêt grandissant. Toutefois, leur faible piézoélectricité macroscopique, leurs propriétés mécaniques insatisfaisantes et les difficultés de production en masse ont longtemps freiné leur développement.
Sous la direction du professeur YANG Zhengbao, professeur associé au Département de génie mécanique et aérospatial de HKUST, l’équipe a collaboré avec l’Université de la ville de Hong Kong (CityU) et l’École polytechnique fédérale de Lausanne pour surmonter ces obstacles. Ils ont mis au point une imprimante TEA qui permet la fabrication en une étape, à haut débit, et en continu de biofilms piézoélectriques grâce à l’utilisation d’aérosols déclenchés thermiquement et électriquement.
Les avantages de la nouvelle technique
« Les méthodes traditionnelles d’assemblage biomoléculaire nécessitent souvent un temps d’auto-alignement très long, généralement jusqu’à 48 heures. Elles engendrent également souvent des défauts structurels indésirables en raison de l’impossibilité de combiner une vitesse élevée et une fabrication polyvalente tout en contrôlant les dimensions, les structures et la fonctionnalité », a expliqué le professeur Yang. « De plus, le coût et la complexité du processus de fabrication rendent la production à grande échelle prohibitive. »
Pour remédier à ces limitations, l’équipe a utilisé la force d’un champ électrique pour manipuler les aérosols, créant une répulsion électrique qui prévient toute perturbation dans le processus de nucléation et assure le dépôt des aérosols sur les substrats.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont construit une imprimante TEA en 3D, fonctionnant en continu, dotée d’un panneau de buses d’impression, avec neuf buses connectées à une alimentation électrique. Une fois que le champ thermique-électrique couplé suffisamment puissant pour servir de propulseur est créé, des flux d’encre sont réduits et aérosolisés sur une plateforme en rouleau, formant ainsi des films minces continus ou des micro-motifs.
« Les résultats ont montré que notre méthode TEA, utilisant l’aérosolisation électrohydrodynamique et le polage électrique in situ, permet d’imprimer une longueur d’environ 8 600 mm par jour, soit deux ordres de grandeur plus rapide que les techniques existantes », a indiqué le professeur Yang.
« Depuis huit décennies, depuis la découverte de la piézoélectricité biologique dans la laine et les cheveux, il existe un fossé énorme entre les études de laboratoire sur les biomatériaux piézoélectriques et le développement de dispositifs biologiques pratiques. Notre recherche marquante va permettre la fabrication industrielle de biofilms piézoélectriques, ce qui à son tour facilitera la production de bioélectronique miniaturisée ou flexible, de microdispositifs portables ou implantables, et de thérapeutiques pour les tissus biologiques. »
Légende illustration : YANG Zhengbao (deuxième à gauche), professeur associé au département d’ingénierie mécanique et aérospatiale de la HKUST, avec les trois premiers auteurs de l’étude : LI Xuemu (deuxième à droite, tenant un rouleau de films de glycine imprimés), ZHANG Zhuomin (première à droite) et ZHENG Yi (première à gauche, avec un patch de glycine dans les mains). Crédit : HKUST
Article : ‘One-step high-speed thermal-electric aerosol printing of piezoelectric bio-organic films for wirelessly powering bioelectronics’ / ( 10.1126/sciadv.adq3195 ) – Hong Kong University of Science and Technology – Publication dans la revue Science Advances / 25-Oct-2024
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