« e-Skin » qui imite la peau biologique et ses fonctions

La découverte d'un nouveau type de « peau électronique » malléable, auto-cicatrisante et entièrement recyclable a de larges applications dans la surveillance de la santé, la robotique, les prothèses et les dispositifs biomédicaux améliorés.

Une étude publiée dans Science Advances présente une nouvelle peau électronique (ou e-peau) dotée de multiples propriétés, notamment la malléabilité, l'auto-réparation et une recyclabilité complète, comparée à la peau humaine¹ ^. La peau, notre plus grand organe, est la couche charnue qui recouvre notre corps. Organe extrêmement polyvalent, elle agit comme un bouclier imperméable et isolant, protégeant notre organisme de divers dangers et facteurs externes, tels que les effets nocifs du soleil. Parmi ses fonctions, on peut citer la régulation de la température corporelle, la protection contre l'absorption de substances toxiques, leur élimination (via la transpiration), le soutien mécanique et immunologique, ainsi que la production de vitamine D , essentielle à la santé de nos os. La peau est également un vaste système sensoriel, richement innervé, lui permettant de communiquer instantanément avec le cerveau.

Des chercheurs du monde entier travaillent au développement de différents types et tailles de « peaux électroniques portables » afin d'imiter la peau biologique et ses diverses fonctions. Il existe un besoin important de dispositifs flexibles et extensibles pour une intégration parfaite à la peau humaine, douce et sinueuse. Les matériaux nanométriques ( ^10⁻⁹ m) peuvent offrir la polyvalence mécanique et électrique requise, remplaçant ainsi le silicium rigide habituellement utilisé. L'équipe du Dr Jianliang Xiao, de l'Université du Colorado à Boulder (États-Unis), a développé avec succès une peau électronique artificielle (e-skin) dans le but de reproduire les sensations tactiles de la peau humaine sur des robots et des prothèses. Cette avancée ouvre la voie à une technologie « portable » qui, à l'avenir, présentera un potentiel et une valeur considérables dans les domaines médical, scientifique et de l'ingénierie.

E-skin : auto-cicatrisante et recyclable

La peau électronique est un matériau fin et translucide composé d'un nouveau type de réseau polymère dynamique à liaisons covalentes, appelé polyimine, enrichi de nanoparticules d'argent pour une résistance mécanique, une stabilité chimique et une conductivité électrique accrues. Cette peau électronique intègre également des capteurs mesurant la pression, la température, l'humidité et le flux d'air. Elle est considérée comme remarquable car elle possède de nombreuses caractéristiques qui en font une imitation extrêmement fidèle de la peau humaine. Très malléable, elle s'adapte facilement aux surfaces courbes (bras, jambes, mains robotiques, etc.) par simple application d'une chaleur et d'une pression modérées, sans contrainte excessive. Dotée d'étonnantes propriétés d'auto-réparation, elle recrée les liaisons chimiques entre les deux faces séparées en cas de coupure ou de dommage, restaurant ainsi sa fonctionnalité et son état initial.

Si cette e-skin devient inutilisable en quelque circonstance que ce soit, elle peut être entièrement recyclée et transformée en une toute nouvelle e-skin en la plaçant dans une solution de recyclage qui « liquéfie » le matériau e-skin existant et le transforme en « nouveau » e-skin. Cette solution de recyclage – un mélange de trois composés chimiques disponibles dans le commerce dans de l'éthanol – dégrade les polymères et les nanoparticules d'argent coulent au fond de la solution. Ces polymères dégradés peuvent être réutilisés pour fabriquer une nouvelle peau électronique fonctionnelle. Cette autocicatrisation et cette recyclabilité atteignables à température ambiante sont attribuées à la liaison chimique du polymère utilisé. L'avantage du réseau polymère de polyimine est qu'il est réversible et peut être brisé et recyclé contrairement à la plupart des matériaux de thermostat conventionnels qui ne peuvent être ni remodelés, ni retraités ni recyclés en raison des liaisons irréversibles au sein de leurs réseaux polymères réticulés. Ceci est plus robuste que la peau humaine elle-même et il pourrait être utilisé comme une amélioration plutôt que comme un remplacement. Il est également agréable au toucher et ressemble presque à de la vraie peau, ce qui pourrait éventuellement en faire un agent de couverture à l'avenir, par exemple des appareils électroniques.

Les propriétés écologiques et économiques de la peau électronique ont été saluées. Cette dernière pourrait considérablement réduire les déchets électroniques et l'impact environnemental, et s'avérer très utile et populaire auprès des fabricants de divers secteurs. Bien que cela puisse paraître futuriste, cette technologie de réutilisation pourrait également s'appliquer aux appareils électroniques usagés. En effet, les traqueurs d'activité et les moniteurs de santé modernes, une fois endommagés, contribuent à l'accumulation des déchets électroniques, aggravant ainsi les problèmes environnementaux. La peau électronique pourrait se porter autour du cou ou au poignet, à la manière de vêtements flexibles ou de tatouages ​​temporaires. En cas de dommage, elle serait recyclable et réutilisable. Grâce à sa flexibilité, elle peut être pliée, tordue et personnalisée. Cette technologie ouvre la voie à la robotique intelligente , où une peau électronique agréable au toucher et confortable pourrait être intégrée au corps d'un robot ou à une prothèse. En d'autres termes, une prothèse de bras ou de jambe recouverte de cette peau électronique permettrait à son utilisateur de réagir aux variations de température et de pression grâce aux multiples capteurs intégrés. Les bras ou jambes robotisés équipés d'une telle peau électronique permettraient aux robots d'interagir avec plus de délicatesse envers les humains, et d'être ainsi plus sûrs et fiables. Par exemple, une peau électronique pourrait être spécifiquement adaptée à un robot manipulant un bébé ou une personne âgée fragile, évitant ainsi toute force excessive. Une autre application potentielle de la peau électronique concerne les environnements dangereux ou les métiers à haut risque. Il est plausible que cette technologie puisse être utilisée avec des boutons, des commandes ou des portes virtuelles permettant toute opération sans intervention humaine, par exemple dans l'industrie des explosifs ou d'autres secteurs d'activité dangereux. Ainsi, cette peau électronique pourrait contribuer à réduire les risques de blessures.

Ajout d'affichage à e-skin

Une équipe de chercheurs de l'Université de Tokyo a récemment intégré un écran ⁽ micro-LED) à des patchs de peau électronique ultra-fins, semblables à des pansements, permettant ainsi l'affichage en temps réel de différents indicateurs de santé (par exemple, la mesure de la glycémie chez les personnes diabétiques ou l'évolution de l'électrocardiogramme d'un patient cardiaque ). Ces patchs sont dotés d'un câblage extensible et peuvent donc se plier ou s'étirer jusqu'à 45 % en fonction des mouvements de l'utilisateur. Ils sont considérés comme les plus flexibles et les plus résistants actuellement disponibles. Le renouvellement cellulaire pourrait entraîner le décollement du patch après quelques jours, mais des solutions existent pour y remédier.

Cette étude, dirigée par le professeur Takao Someya, indique qu'un tel écran peut éventuellement être utilisé pour permettre la lecture et la communication d'informations médicales de manière transparente et simple, non seulement pour les patients mais également pour les membres de la famille, les soignants et les professionnels de la santé, en personne ou même. à distance. Il recevrait également des messages. Les chercheurs visent à améliorer encore la fiabilité du patch, à le rendre plus rentable et également à augmenter sa production pour une portée plus large dans le monde entier. Leur objectif est de lancer cet appareil sur le marché d'ici la fin de 2020.

Défis à relever

Le développement de l'e-skin est une nouvelle recherche très excitante, cependant, l'une des propriétés fondamentales de notre - flexibilité et capacité d'étirement - n'a pas encore été atteinte avec succès par l'e-skin. La peau électronique est douce mais pas aussi extensible que la peau humaine. Selon les auteurs, en l'état, le matériel n'est pas non plus très facilement reproductible. Une légère réduction des performances globales de détection d'un appareil e-skin régénéré/recyclé a été observée par rapport à un nouveau module, ce qui doit être entièrement résolu par des recherches plus approfondies. Les champs magnétiques utilisés par les peaux électroniques sont également assez élevés et doivent être réduits. Actuellement, l'appareil est alimenté par une source externe, ce qui est très peu pratique, mais il devrait être possible d'avoir de petites piles rechargeables pour alimenter l'appareil à la place. Le Dr.Xiao et son équipe souhaitent affiner ce produit et améliorer la solution de mise à l'échelle afin qu'au moins les obstacles économiques puissent être dépassés et que cette peau électronique devrait être plus facile à fabriquer et à placer sur des robots, des prothèses, des dispositifs médicaux ou autre.

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Sources)

1. Zou Z et al. 2018. Peau électronique réparable, entièrement recyclable et malléable grâce à un nanocomposite thermodurcissable covalent dynamique. Science Advances . https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Surveillance continue de la santé grâce à des capteurs cutanés ultra-flexibles. Symposium de la réunion annuelle de l'AAAS, Austin, Texas, 17 février 2018. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. et al. Peau photonique organique ultraflexible. SCIENCE ADVANCES. 15 avril 2016. Vol. 2, n° 4. DOI : https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

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