Patch cutané intelligent UC San Diego : surveillance temps réel pression artérielle, fréquence cardiaque et biochimie

Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un patch cutané souple et extensible, porté au cou, qui permet de suivre en continu la pression artérielle et la fréquence cardiaque tout en mesurant le taux de glucose, de lactate, d'alcool ou de caféine. C'est le premier dispositif portable qui surveille simultanément des signaux cardiovasculaires et plusieurs taux biochimiques dans le corps humain.

Un tel dispositif pourrait bénéficier aux personnes gérant l'hypertension et le diabète — des individus également à haut risque de devenir gravement malades avec le COVID-19. Il pourrait aussi servir à détecter l'apparition de sepsis, caractérisée par une chute soudaine de la pression artérielle accompagnée d'une hausse rapide du taux de lactate.

Un seul patch cutané souple capable de tout faire offrirait aussi une alternative pratique pour les patients en unités de soins intensifs, y compris les nourrissons en unité néonatale, qui ont besoin d'une surveillance continue de la pression artérielle et d'autres signes vitaux. Ces procédures impliquent actuellement l'insertion de cathéters profondément dans les artères des patients et l'attache des patients à de multiples moniteurs hospitaliers.

« La nouveauté ici est que nous prenons des capteurs complètement différents et les fusionnons sur une seule plateforme aussi petite qu'un timbre », a déclaré Joseph Wang, professeur de nano-ingénierie à UC San Diego. « Nous pouvons collecter autant d'informations avec ce seul wearable et ce de manière non invasive, sans causer d'inconfort ni d'interruption à l'activité quotidienne. »

Le patch est une fine feuille de polymères extensibles qui épouse la peau. Il est équipé d'un capteur de pression artérielle et de deux capteurs chimiques — l'un mesure le lactate (biomarqueur d'effort physique), la caféine et l'alcool dans la sueur, l'autre mesure le glucose dans le liquide interstitiel.

Le patch est capable de mesurer trois paramètres à la fois, un par capteur : pression artérielle, glucose, et soit lactate, alcool, soit caféine.

Le capteur de pression artérielle se trouve près du centre du patch. Il consiste en un ensemble de petits transducteurs à ultrasons soudés au patch par une encre conductrice. Une tension appliquée aux transducteurs les fait émettre des ondes ultrasonores dans le corps. Lorsque les ondes rebondissent sur une artère, le capteur détecte les échos et traduit les signaux en une lecture de pression artérielle.

Les capteurs chimiques sont deux électrodes imprimées en sérigraphie sur le patch avec de l'encre conductrice. L'électrode qui détecte le lactate, la caféine et l'alcool est imprimée sur le côté droit du patch ; elle fonctionne en libérant un médicament appelé pilocarpine dans la peau pour induire la sueur et détecter les substances chimiques dans la sueur. L'autre électrode, qui détecte le glucose, est imprimée sur le côté gauche ; elle fonctionne en faisant passer un faible courant électrique à travers la peau pour libérer le liquide interstitiel et mesurer le glucose dans ce fluide.

Les chercheurs s'intéressaient à mesurer ces biomarqueurs particuliers car ils impactent la pression artérielle. « Nous avons choisi des paramètres qui nous donneraient une mesure de pression artérielle plus précise, plus fiable », a déclaré Juliane Sempionatto, doctorante en nano-ingénierie dans le laboratoire de Wang.

« Disons que vous surveillez votre pression artérielle, et vous voyez des pics pendant la journée et pensez que quelque chose ne va pas. Une lecture de biomarqueur pourrait vous dire si ces pics étaient dus à une consommation d'alcool ou de caféine. Cette combinaison de capteurs peut vous donner ce type d'information », a-t-elle dit.

Lors de tests, des sujets ont porté le patch au cou en effectuant diverses combinaisons des tâches suivantes : exercice sur vélo stationnaire ; repas riche en sucre ; consommation d'une boisson alcoolisée ; et consommation d'une boisson caféinée. Les mesures du patch correspondaient étroitement à celles collectées par des dispositifs de surveillance commerciaux tels qu'un brassard tensiomètre, un lactatemètre, un glucomètre et un éthylotest. Les mesures des taux de caféine des porteurs ont été vérifiées en laboratoire en mesurant des échantillons de sueur additionnés de caféine.

L'un des plus grands défis dans la fabrication du patch a été d'éliminer les interférences entre les signaux des capteurs. Pour ce faire, les chercheurs ont dû déterminer l'espacement optimal entre le capteur de pression artérielle et les capteurs chimiques. Ils ont trouvé qu'un centimètre d'espacement suffisait tout en gardant le dispositif aussi petit que possible.

Les chercheurs ont aussi dû trouver comment protéger physiquement les capteurs chimiques du capteur de pression artérielle. Ce dernier est normalement équipé d'un gel à ultrasons liquide pour produire des lectures claires. Mais les capteurs chimiques sont aussi équipés de leurs propres hydrogels, et le problème est que si du gel liquide du capteur de pression artérielle s'écoule et entre en contact avec les autres gels, cela causera des interférences entre les capteurs. Alors, les chercheurs ont utilisé un gel à ultrasons solide, qui fonctionne aussi bien que la version liquide mais sans fuite.

L'équipe travaille déjà sur une nouvelle version du patch, avec encore plus de capteurs. « Il y a des opportunités de surveiller d'autres biomarqueurs associés à diverses maladies. Nous cherchons à ajouter plus de valeur clinique à ce dispositif », a dit Sempionatto.

Les travaux en cours incluent aussi la miniaturisation de l'électronique pour le capteur de pression artérielle. Actuellement, le capteur doit être connecté à une source d'alimentation et à une machine de paillasse pour afficher ses lectures. L'objectif final est de mettre tout cela sur le patch et de rendre le tout sans fil.