Les ingénieurs ont développé une « peau électronique » résistante à la transpiration – un patch collant conformable et intégré à un capteur qui surveille de manière fiable la santé d’une personne, même lorsqu’un porteur transpire. Le patch contient des canaux sudoripares artificiels à travers les couches ultrafines du matériau, illustrés. Crédit : Felice Frankel
La conception pourrait conduire à des moniteurs portables conformables pour suivre le cancer de la peau et d’autres conditions.
AVEC des ingénieurs et des chercheurs sud-coréens ont développé une « peau électronique » résistante à la transpiration – un patch collant conformable intégré à un capteur qui surveille la santé d’une personne sans dysfonctionnement ni décollement, même lorsque le porteur transpire.
Le patch est modelé avec des canaux sudoripares artificiels, similaires aux pores de la peau humaine, que les chercheurs ont gravés à travers les couches ultrafines du matériau. Les pores perforent le patch dans un motif de type kirigami, similaire à celui de l’art japonais de la découpe du papier. La conception garantit que la transpiration peut s’échapper à travers le patch, empêchant l’irritation de la peau et les dommages aux capteurs intégrés.
La conception du kirigami aide également le patch à se conformer à la peau humaine lorsqu’il s’étire et se plie. Cette flexibilité, associée à la capacité du matériau à résister à la transpiration, lui permet de surveiller la santé d’une personne sur de longues périodes de temps, ce qui n’était pas possible avec les conceptions précédentes « e-skin ». Les résultats, publiés le 30 juin 2021, dans Avancées scientifiques, sont une étape vers des peaux intelligentes durables qui peuvent suivre les signes vitaux quotidiens ou la progression du cancer de la peau et d’autres conditions.
Illustration schématique des e-skins perforés. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
“Avec ce patch cutané conformable et respirant, il n’y aura pas d’accumulation de sueur, d’informations erronées ou de détachement de la peau”, explique Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. « Nous pouvons fournir des capteurs portables qui peuvent effectuer une surveillance constante à long terme. »
Les co-auteurs de Kim incluent l’auteur principal et postdoctorant du MIT Hanwool Yeon, et des chercheurs des départements de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux du MIT, et du Laboratoire de recherche en électronique, ainsi que des collaborateurs du conglomérat cosmétique Amorepacific et d’autres institutions à travers la Corée du Sud.
Un obstacle en sueur
Le groupe de Kim est spécialisé dans la fabrication de films semi-conducteurs flexibles. Les chercheurs ont mis au point une technique appelée épitaxie à distance, qui consiste à faire pousser des films semi-conducteurs ultrafins et de haute qualité sur des plaquettes à haute température et à retirer sélectivement les films, qu’ils peuvent ensuite combiner et empiler pour former des capteurs beaucoup plus minces et plus flexibles que les plaquettes conventionnelles. conceptions basées.
Récemment, leurs travaux ont attiré l’attention de la société de cosmétiques Amorepacific, qui s’intéressait au développement d’un ruban adhésif portable mince pour surveiller en permanence les changements cutanés. La société a noué une collaboration avec Kim pour façonner les films semi-conducteurs flexibles du groupe en quelque chose qui pourrait être porté sur de longues périodes.
Les chercheurs ont testé la peau électronique en la collant au poignet et au front d’un volontaire pendant une semaine. Crédits : Image : Vidéo toujours gracieuseté des chercheurs
Mais l’équipe s’est rapidement heurtée à un obstacle que les autres modèles de peaux électroniques n’ont pas encore franchi : la sueur. La plupart des conceptions expérimentales intègrent des capteurs dans des matériaux collants à base de polymères qui ne sont pas très respirants. D’autres modèles, fabriqués à partir de nanofibres tissées, peuvent laisser passer l’air, mais pas la transpiration. Si une peau électronique devait fonctionner sur le long terme, Kim s’est rendu compte qu’elle devrait être perméable non seulement à la vapeur, mais aussi à la transpiration.
“La sueur peut s’accumuler entre la peau électronique et votre peau, ce qui pourrait endommager la peau et provoquer un dysfonctionnement du capteur”, explique Kim. “Nous avons donc essayé de résoudre ces deux problèmes en même temps, en permettant à la sueur de pénétrer à travers la peau électronique.”
Faire la coupe
Pour s’inspirer de la conception, les chercheurs se sont tournés vers les pores sudoripares humains. Ils ont découvert que le diamètre du pore moyen mesure environ 100 microns et que les pores sont répartis de manière aléatoire dans toute la peau. Ils ont effectué quelques simulations initiales pour voir comment ils pourraient superposer et arranger les pores artificiels, d’une manière qui ne bloquerait pas les pores réels de la peau humaine.
“Notre idée simple est que si nous fournissons des canaux sudoripares artificiels dans la peau électronique et créons des chemins hautement perméables pour la sueur, nous pouvons atteindre une surveillance à long terme”, explique Yeon.
Ils ont commencé par un motif périodique de trous, chacun de la taille d’un pore de sueur réel. Ils ont découvert que si les pores étaient rapprochés les uns des autres, à une distance inférieure au diamètre moyen d’un pore, le motif dans son ensemble imprégnerait efficacement la sueur. Mais ils ont également découvert que si ce simple motif de trous était gravé à travers un film mince, le film n’était pas très étirable et il se cassait facilement lorsqu’il était appliqué sur la peau.
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient augmenter la force et la flexibilité du motif des trous en coupant de minces canaux entre chaque trou, créant un motif d’haltères répétitifs, plutôt que de simples trous, qui détendent la tension, plutôt que de la concentrer en un seul endroit. Ce motif, lorsqu’il est gravé dans un matériau, crée un effet extensible semblable à celui d’un kirigami.
« Si vous enroulez un morceau de papier sur une balle, ce n’est pas conformable », dit Kim. “Mais si vous découpez un motif kirigami dans le papier, il pourrait se conformer. Nous avons donc pensé, pourquoi ne pas relier les trous avec une coupe, pour avoir une conformabilité de type kirigami sur la peau ? En même temps, nous pouvons imprégner la sueur.
Suivant cette logique, l’équipe a fabriqué une peau électronique à partir de plusieurs couches fonctionnelles, chacune gravée avec des pores à motifs d’haltères. Les couches de la peau comprennent un réseau de capteurs ultrafins à motifs semi-conducteurs pour surveiller la température, l’hydratation, l’exposition aux ultraviolets et les contraintes mécaniques. Ce réseau de capteurs est pris en sandwich entre deux films protecteurs minces, qui recouvrent tous un adhésif polymère collant.
“La peau électronique est comme la peau humaine – très extensible et douce, et la sueur peut s’y imprégner”, explique Yeon.
Les chercheurs ont testé la peau électronique en la collant au poignet et au front d’un volontaire. Le volontaire a porté la bande en continu pendant une semaine. Tout au long de cette période, le nouveau e-skin a mesuré de manière fiable sa température, son niveau d’hydratation, son exposition aux UV et son pouls, même lors d’activités provoquant la transpiration, telles que courir sur un tapis roulant pendant 30 minutes et consommer un repas épicé.
La conception de l’équipe était également conforme à la peau, collant au front du volontaire alors qu’on lui demandait de froncer les sourcils à plusieurs reprises tout en transpirant abondamment, par rapport à d’autres conceptions de peau électronique qui manquaient de perméabilité à la transpiration et se détachaient facilement de la peau.
Kim prévoit d’améliorer la résistance et la durabilité de la conception. Alors que le ruban est à la fois perméable à la transpiration et hautement conformable, grâce à son motif kirigami, c’est ce même motif, associé à la forme ultrafine du ruban, qui le rend assez fragile aux frottements. En conséquence, les bénévoles devaient porter un étui autour du ruban pour le protéger lors d’activités telles que la douche.
“Parce que la peau électronique est très douce, elle peut être physiquement endommagée”, explique Yeon. « Nous visons à améliorer la résilience de la peau électronique. »
Référence : « Surveillance fiable à long terme de la santé physique par des peaux électroniques perforées inspirées des pores de sueur » par Hanwool Yeon, Haneol Lee, Yeongin Kim, Doyoon Lee, Youngjoo Lee, Jong-Sung Lee, Jiho Shin, Chanyeol Choi, Ji-Hoon Kang , Jun Min Suh, Hyunseok Kim, Hyun S. Kum, Jaeyong Lee, Daeyeon Kim, Kyul Ko, Boo Soo Ma, Peng Lin, Sangwook Han, Sungkyu Kim, Sang-Hoon Bae, Taek-Soo Kim, Min-Chul Park, Young-Chang Joo, Eunjoo Kim, Jiyeon Han et Jeehwan Kim, 30 juin 2021, Science.
DOI : 10.1126 / sciadv.abg8459
Cette recherche a été soutenue par Amorepacific.
