Les biocapteurs ont révolutionné les soins de santé à domicile au cours des deux dernières décennies. Des appareils tels que les moniteurs de fréquence cardiaque et de glycémie portables fournissent aux personnes souffrant de maladies chroniques les informations et l’assurance nécessaires pour maintenir un mode de vie actif. Mais même les meilleurs capteurs sont limités par leur capacité à maintenir un contact cutané lors d’activités physiques intenses. Des chercheurs de l’Université Drexel et de l’Université d’État de Pennsylvanie ont relevé le défi d’améliorer le matériau hydrogel utilisé dans les biocapteurs. Et, dans une recherche récemment publiée, ils ont rapporté une nouvelle formule pour fabriquer le substrat gélatineux qui est polyvalent, durable et suffisamment adhésif pour établir une connexion plus solide.
Selon les chercheurs, outre les mouvements réguliers comme les flexions ou les étirements, les obstructions de surface telles que l’humidité, la graisse ou les cheveux sont les plus grands obstacles au maintien des biocapteurs sur le corps et à la capture des signaux biologiques qu’ils sont conçus pour détecter. Publiée dans la revue Science Advances, leur hydrogel est formulé pour adhérer à la peau malgré les cheveux et la sueur et rester en place pendant l’activité physique.
« L’objectif ultime d’un biocapteur est d’être si fiable et confortable que la personne qui le porte puisse vaquer à ses occupations sans le remarquer constamment », a déclaré Abu Musa Abdullah, PhD, chercheur post-doctoral en génie mécanique et mécanique au Nick Howley College of Engineering and Computing de Drexel, qui était l’un des responsables de la recherche. « En tenant compte de cela, nous avons conçu une formule pour un hydrogel qui peut être imprimé dans n’importe quelle forme ou taille et qui est suffisamment adhésif pour adhérer à la peau même lorsqu’elle est en sueur ou poilue et suffisamment durable pour être réutilisé. »
Leur innovation décisive a été rendue possible en ajustant le mélange de polymères et d’additifs qui forment le gel afin qu’il se comporte de quelques manières très spécifiques.
L’équipe souhaitait que ses capteurs en hydrogel soient facilement applicables sur n’importe quelle zone du corps. Cela signifiait pouvoir les produire dans des formes et tailles sur mesure. Pour atteindre cette flexibilité de conception, les chercheurs ont intégré un mécanisme chimique — piloté par le pH du mélange — pour retarder le processus de solidification du gel.
En ajustant le pH de la solution, les chercheurs pouvaient déclencher la formation du gel lorsqu’il se trouve à l’intérieur d’une seringue. Cela permet de le déposer en douceur sur la peau et de créer un capteur qui s’adapte rapidement à la zone où il a été appliqué.
« Cette flexibilité de fabrication nous permet de fabriquer des électrodes personnalisées de différentes formes et motifs qui s’adaptent étroitement à des emplacements corporels spécifiques ou à des utilisateurs individuels », a déclaré Abdullah. « Plutôt que de permettre un tout nouveau type de mesure physiologique, notre hydrogel rend les mesures existantes plus fiables dans des conditions réelles difficiles. »
Pour améliorer la durabilité et renforcer la conductivité électrique de l’hydrogel — le rendant ainsi un capteur plus puissant — les chercheurs ont ajouté des flocons de nanomatériau à base de graphène au mélange. Ces flocons, appelés graphène induit par laser et oxyde de graphène réduit, ont formé un réseau poreux au sein de l’hydrogel, ce qui permet également à la sueur de pénétrer dans le gel sans créer d’accumulation qui pourrait interférer avec le capteur ou le déloger.
Enfin, l’équipe a inclus de la polydopamine, un polymère « bio glue » largement utilisé qui imite les protéines adhésives présentes dans les tissus musculaires — ce qui en fait un excellent adhésif pour fixer des choses aux tissus biologiques. Le composé de colle biologique a servi non seulement à fixer solidement les capteurs à la peau, mais aussi à garantir qu’ils restent attachés pendant l’activité physique et la transpiration.
Lors de tests préliminaires, l’équipe a constaté que leurs optimisations produisaient des hydrogels aussi mous que les tissus humains, capables de s’étirer jusqu’à 80 fois leur taille d’origine et suffisamment durables pour être décollés et réappliqués des dizaines de fois sans dégrader leurs performances. Ils adhéraient également fortement à la peau sur des objets allant du cuivre et de l’acier au verre et au caoutchouc, ce qui démontre leur potentiel d’utilisation dans une gamme de technologies de détection biomédicale.
Des capteurs d’électrocardiogramme en hydrogel, placés sur le poignet et la poitrine, ont maintenu une connexion de signal solide lors de flexions et d’étirements. Et les capteurs d’électro-oculographie ont donné des résultats similaires lors d’une série d’exercices de clignement des yeux et de mouvements oculaires.
« Si un capteur est inconfortable, rigide ou perd le contact avec la peau pendant le mouvement, il peut introduire du bruit dans les signaux enregistrés et réduire la qualité des données », a déclaré Abdullah. « Notre hydrogel est conçu pour épouser étroitement la peau, même sur les zones poilues ou en sueur et pendant le mouvement, contribuant ainsi à maintenir une qualité de signal stable tout en améliorant le confort, même après une mise en œuvre sur plusieurs cycles. »
Pour tester les performances de l’hydrogel en tant que biocapteur dans une application réelle, l’équipe a conçu un réseau pour capturer plusieurs signes physiologiques de l’anxiété. En plaçant des capteurs en hydrogel sur la paupière, la paume et le poignet d’un sujet test, l’équipe a pu surveiller les clignements, la transpiration et la fréquence cardiaque tandis que le sujet était alternativement exposé à une musique relaxante et à des sons irritants.
L’équipe a répété l’expérience avec un volontaire se décrivant comme arachnophobe, qu’ils ont exposé à des vidéos d’araignées. Les capteurs ont pu enregistrer en continu des données pendant l’expérience, tandis que l’anxiété du participant augmentait avec l’apparition d’une réponse de combat ou de fuite, notamment une augmentation de la transpiration et des clignements d’yeux.
« La surveillance des signaux électriques du corps implique généralement de fixer plusieurs types d’électrodes et plusieurs capteurs différents sur la peau, ce qui peut prendre du temps à installer et peut être inconfortable à porter », a déclaré Abdullah. « Notre hydrogel combine ces fonctions en un seul matériau souple et semblable à la peau, plus facile à appliquer, plus confortable pour le porteur et mieux capable de maintenir un contact étroit avec la peau, contribuant ainsi à produire des signaux plus stables même lors des mouvements quotidiens. »
Bien que ces résultats soient une preuve de concept, l’équipe prévoit de poursuivre les travaux pour optimiser l’hydrogel pour des utilisations spécifiques. Sa polyvalence offre des opportunités pour la surveillance simultanée d’un certain nombre de biosignaux, de la fréquence cardiaque et de la température aux clignements et autres mouvements musculaires. Les chercheurs suggèrent que le gel pourrait également être utilisé dans des capteurs de surveillance de l’exercice pour l’entraînement physique et la réadaptation.
« Plutôt que de permettre un tout nouveau type de mesure physiologique, notre hydrogel rend les mesures existantes plus fiables dans des conditions réelles difficiles », a déclaré Abdullah. « Bien que des développements supplémentaires soient nécessaires avant la commercialisation, nous pensons que cette approche personnalisable et réutilisable représente une nouvelle direction prometteuse pour la bioélectronique portable par rapport aux électrodes conventionnelles actuelles. »
Article : Ultrasoft, adhesive, pH-tunable hydrogel based on in situ functionalized laser-induced graphene for through-hair concurrent biosensing – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Drexel U.
