Ce dispositif peut être porté sur la partie supérieure du bras pendant que la personne qui le porte vaque à ses occupations. Crédit : Laboratoire de nanobioélectronique / UC San Diego
Imaginez pouvoir mesurer votre taux de sucre dans le sang, savoir si vous avez trop bu d’alcool et suivre votre fatigue musculaire pendant une séance d’entraînement, le tout dans un seul petit appareil porté sur la peau. Des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego (UCSD) ont mis au point un prototype de ce type de dispositif qui peut surveiller en continu et en temps réel plusieurs statistiques de santé (taux de glucose, d’alcool et de lactate).
“C’est comme un laboratoire complet sur la peau”. – Joseph Wang
Le dispositif multitâche n’a que la taille d’une pile de six quarts. Il est appliqué sur la peau à l’aide d’une bande velcro composée d’aiguilles microscopiques, ou micro-aiguilles, dont la largeur est égale à un cinquième de celle d’un cheveu humain. Le port du dispositif n’est pas douloureux : les micro-aiguilles pénètrent à peine la surface de la peau pour détecter les biomolécules du liquide interstitiel, c’est-à-dire le liquide qui entoure les cellules sous la peau. Le dispositif peut être porté sur la partie supérieure du bras et envoie des données sans fil à une application smartphone personnalisée.
Les chercheurs de l’UC San Diego Center for Wearable Sensors décrivent leur dispositif dans un article publié aujourd’hui (9 mai 2022) dans le journal . Nature Biomedical Engineering.
Le dispositif peut être porté sur le haut du bras et envoie des données sans fil à une application smartphone personnalisée. Crédit : Laboratoire de nanobioélectronique / UC San Diego
“C’est comme un laboratoire complet sur la peau”, a déclaré le directeur du centre, Joseph Wang, professeur de nanoingénierie à UC San Diego et coauteur de l’article. “Il est capable de mesurer en permanence de multiples biomarqueurs en même temps, ce qui permet aux utilisateurs de surveiller leur santé et leur bien-être pendant leurs activités quotidiennes.”
La plupart des moniteurs de santé commerciaux, tels que les moniteurs de glucose en continu pour les patients diabétiques, ne mesurent qu’un seul signal. Le problème, selon les chercheurs, est que cela ne tient pas compte d’informations qui pourraient aider les personnes atteintes de diabète, par exemple, à gérer leur maladie plus efficacement. La surveillance du taux d’alcool est utile car la consommation d’alcool peut faire baisser le taux de glucose. Connaître les deux taux peut aider les diabétiques à éviter que leur glycémie ne tombe trop bas après avoir bu un verre. Il est également utile de combiner les informations sur le lactate, qui peut être surveillé pendant l’exercice comme biomarqueur de la fatigue musculaire, car l’activité physique influence la capacité de l’organisme à réguler le glucose.
“Avec notre wearable, les gens peuvent voir l’interaction entre leurs pics ou creux de glucose avec leur régime alimentaire, leur exercice physique et leur consommation de boissons alcoolisées. Cela pourrait également améliorer leur qualité de vie”, a déclaré Farshad Tehrani, étudiant en doctorat de nano-ingénierie dans le laboratoire de Wang et l’un des co-auteurs de l’étude.
Les micro-aiguilles fusionnent avec l’électronique
Le dispositif à porter consiste en un patch de micro-aiguilles connecté à un boîtier électronique. Différentes enzymes présentes à l’extrémité des micro-aiguilles réagissent avec le glucose, l’alcool et le lactate présents dans le liquide interstitiel. Ces réactions génèrent de petits courants électriques, qui sont analysés par des capteurs électroniques et communiqués sans fil à une appli que les chercheurs ont développée. Les résultats sont affichés en temps réel sur un smartphone.
Le patch à micro-aiguilles jetable se détache du boîtier électronique réutilisable. Crédit : Laboratoire de nanobioélectronique / UC San Diego
Un avantage de l’utilisation des micro-aiguilles est qu’elles échantillonnent directement le fluide interstitiel, et la recherche a montré que les niveaux biochimiques mesurés dans ce fluide sont en bonne corrélation avec les niveaux dans le sang.
“Nous partons d’un très bon endroit avec cette technologie en termes de validité et de pertinence cliniques”, a déclaré Patrick Mercier, professeur de génie électrique et informatique à l’UC San Diego et coauteur de l’article. “Cela réduit les obstacles à la traduction clinique”.
Le patch à micro-aiguilles, qui est jetable, peut être détaché du boîtier électronique pour être facilement remplacé. Le boîtier électronique, qui est réutilisable, abrite la batterie, les capteurs électroniques, le transmetteur sans fil et d’autres composants électroniques. Le dispositif peut être rechargé sur n’importe quel socle de recharge sans fil utilisé pour les téléphones et les smartwatches.
Le dispositif peut être rechargé sur un pad de recharge sans fil du commerce. Crédit :Laboratoire de nanobioélectronique / UC San Diego
L’un des plus grands défis de l’équipe a été d’intégrer tous ces composants dans un petit dispositif portable sans fil. Il a également fallu faire preuve d’ingéniosité pour combiner l’électronique réutilisable, qui doit rester sèche, et le patch à micro-aiguilles, qui est exposé aux fluides biologiques.
“L’intérêt de ce projet est qu’il s’agit d’un système entièrement intégré que l’on peut porter sans être attaché à un équipement de laboratoire”, a déclaré M. Mercier, qui est également codirecteur du Center for Wearable Sensors de l’UC San Diego.
Test
L’appareil a été testé sur cinq volontaires, qui le portaient sur le bras, pendant qu’ils faisaient de l’exercice, prenaient un repas et buvaient un verre de vin. Le dispositif a été utilisé pour surveiller en permanence le taux de glucose des volontaires, en même temps que leur taux d’alcool ou de lactate. Les mesures de glucose, d’alcool et de lactate prises par le dispositif correspondaient étroitement aux mesures prises respectivement par un moniteur de glycémie commercial, un alcootest et des mesures de lactate sanguin effectuées en laboratoire.
Prochaines étapes
Farshad Tehrani et son coauteur Hazhir Teymourian, qui est un ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wang, ont cofondé une jeune entreprise appelée AquilX pour développer davantage la technologie en vue de sa commercialisation. Les prochaines étapes consistent à tester et à améliorer la durée de vie du patch à micro-aiguilles avant son remplacement. L’entreprise se réjouit également de la possibilité d’ajouter d’autres capteurs au dispositif pour surveiller les niveaux de médicaments des patients et d’autres signaux de santé.
Référence : “An integrated wearable microneedle array for the continuous monitoring of multiple biomarkers in interstitial fluid” par Farshad Tehrani, Hazhir Teymourian, Brian Wuerstle, Jonathan Kavner, Ravi Patel, Allison Furmidge, Reza Aghavali, Hamed Hosseini-Toudeshki, Christopher Brown, Fangyu Zhang, Kuldeep Mahato, Zhengxing Li, Abbas Barfidokht, Lu Yin, Paul Warren, Nickey Huang, Zina Patel, Patrick P. Mercier et Joseph Wang, 9 mai 2022,Nature Biomedical Engineering.
DOI: 10.1038/s41551-022-00887-1
Financement : NIH/National Institute of Neurological Disorders and Stroke (Institut national des troubles neurologiques et des accidents vasculaires cérébraux).
