Un capteur intelligent révolutionnaire améliore la surveillance des plaies grâce à un suivi précis de la température et de la contrainte

Penn State College of Engineering, University Park, Pennsylvanie

Le capteur flexible, idéal pour une utilisation dans le corps humain, utilise du graphène induit par laser pour mesurer simultanément mais séparément la température et la tension, permettant potentiellement un meilleur suivi de la cicatrisation des plaies en fournissant des informations plus claires sur l'inflammation et la récupération. (Image :Jennifer M. McCann)

L’un des défis majeurs des capteurs portables auto-alimentés destinés à la surveillance des soins de santé consiste à distinguer différents signaux lorsqu’ils se produisent en même temps. Des chercheurs de Penn State et de l'Université de technologie du Hebei en Chine ont résolu ce problème en découvrant une nouvelle propriété d'un matériau de capteur, permettant à l'équipe de développer un nouveau type de capteur flexible capable de mesurer avec précision à la fois la température et la contrainte physique simultanément mais séparément pour identifier plus précisément divers signaux.

« Ce matériau de capteur unique que nous avons développé a des applications potentiellement importantes dans la surveillance des soins de santé », a déclaré Huanyu « Larry » Cheng, James L. Henderson, professeur agrégé Memorial Jr. de sciences de l'ingénierie et de mécanique (ESM) à Penn State et auteur co-correspondant de l'étude publiée dans Nature Communications. "En mesurant avec précision à la fois les changements de température et la déformation physique, ou la contrainte, créée par une plaie en voie de guérison et en mesurant cela en séparant les deux signaux, cela pourrait révolutionner le suivi de la cicatrisation des plaies. Les médecins pourraient avoir une image beaucoup plus claire du processus de guérison, identifiant dès le début des problèmes tels que l'inflammation. "

Les chercheurs visaient à mesurer avec précision les signaux de température et de déformation sans diaphonie en utilisant du graphène induit par laser (LIG), un matériau bidimensionnel (2D). Comme tous les matériaux 2D, y compris le graphène ordinaire, le graphène induit par laser a une épaisseur de un à quelques atomes avec des propriétés uniques, mais avec une particularité. Le graphène induit par laser se forme lorsqu'un laser chauffe certains matériaux riches en carbone, comme le plastique ou le bois, de manière à convertir leur surface en une structure de graphène. Le laser « écrit » essentiellement le graphène directement sur le matériau, ce qui en fait un moyen simple et évolutif de produire des motifs de graphène pour l'électronique, les capteurs et les appareils énergétiques.

LIG a déjà été utilisé dans diverses applications. Auparavant, Cheng et son équipe l'utilisaient pour des capteurs de gaz, des détecteurs électrochimiques pour l'analyse de la sueur, des supercondensateurs, etc. Cependant, les chercheurs pensent avoir découvert une nouvelle propriété du LIG qui le rend idéal en tant que capteur polyvalent et précis.

"Dans notre étude, nous sommes en quelque sorte tombés sur le fait que ce matériau possède également des propriétés thermoélectriques", a déclaré Cheng. "Nous pensons que c'est la première fois que quelqu'un signale que le graphène induit par laser possède des capacités thermoélectriques. Et c'est vraiment important pour ce que nous essayons de faire ici, c'est-à-dire mesurer séparément les changements de température et les contraintes physiques ou déformations. "

Les propriétés thermoélectriques d'un matériau font référence à la capacité de convertir les différences de température en tension électrique et vice versa, permettant à ces matériaux d'être utilisés pour des applications telles que la récupération d'énergie et la détection de température. Selon Cheng, cette propriété thermoélectrique nouvellement identifiée du LIG facilite la séparation des mesures des deux capteurs, ce qui la rend idéale pour les applications de soins de santé telles qu'un capteur intégré dans un bandage.

"Lorsque vous disposez de matériaux sensibles à la fois à la température et à la déformation, il peut être difficile de déterminer quel signal est provoqué par des changements dans le matériau", a déclaré Cheng. "Mais en utilisant cet effet thermoélectrique dans le graphène induit par laser, nous pouvons essentiellement découpler ces deux mesures. Nous pouvons examiner la résistance électrique pour obtenir des informations sur la contrainte, tout en mesurant également la tension thermique pour déterminer la température. C'est pourquoi les médecins pourraient l'utiliser pour suivre à la fois les fluctuations de température et les changements physiques au niveau de la plaie et avoir une image beaucoup plus claire de la progression de la guérison. "

Il a également noté que le capteur est très sensible, détectant des changements de température aussi faibles que 0,5 degrés Celsius. La conception du matériau tire parti de la manière dont le graphène poreux et les composants thermoélectriques fonctionnent ensemble, ce qui le rend près de quatre fois plus efficace pour convertir la chaleur en électricité. Le capteur peut également s'étirer jusqu'à 45 % et s'adapter à différentes formes et surfaces, sans perdre sa fonction.

"La structure poreuse de ce matériau crée de nombreux espaces et canaux minuscules qui lui permettent d'interagir avec son environnement de manière très sensible", a déclaré Cheng. "Cela le rend bien adapté à l'interface avec les tissus mous humains, contrairement aux matériaux thermoélectriques plus rigides, tels que ceux à base de céramique."

Étant donné que l’aspect thermoélectrique du LIG signifie qu’il peut générer de l’énergie électrique en cas de différence de température, les capteurs LIG sont auto-alimentés. Selon Cheng, cela pourrait être particulièrement utile pour la surveillance continue en milieu clinique et pour d'autres applications, telles que la détection d'incendies dans des endroits éloignés.

En plus d'affiner le capteur, l'équipe développe un système sans fil qui permettra aux utilisateurs de surveiller les données du capteur à distance. Cela permettra de suivre des informations importantes, telles que la température ou la tension, en temps réel à l'aide de smartphones ou d'autres appareils.

"Par exemple, un médecin pourrait surveiller l'état d'un patient à distance, ou les secouristes pourraient recevoir des alertes concernant des changements de température dangereux", a déclaré Cheng. "Ces avancées visent à rendre la technologie plus accessible et plus efficace, contribuant ainsi à améliorer la surveillance de la santé et la sécurité dans les situations quotidiennes."

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