Capteur intelligent révolutionnaire améliore la surveillance des plaies avec suivi précis de la température et de la déformation

Penn State College of Engineering, University Park, PA

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 déformation, permettant potentiellement une meilleure surveillance de la cicatrisation des plaies en fournissant des informations plus claires sur l'inflammation et la récupération.

Défi majeur : distinguer les signaux simultanés

Un défi majeur dans les capteurs portables auto-alimentés pour la surveillance de la santé est de distinguer différents signaux lorsqu'ils se produisent simultanément. Des chercheurs de Penn State et de l'Université de technologie de 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.

Huanyu « Larry » Cheng, Professeur associé James L. Henderson, Jr. Memorial en Science et Mécanique de l'Ingénierie (ESM) à Penn State et co-auteur correspondant : « Ce matériau de capteur unique que nous avons développé a des applications potentiellement importantes dans la surveillance de la santé. En mesurant avec précision les changements de température et la déformation physique, ou contrainte, créés par une plaie en cicatrisation et en séparant ces deux signaux, cela pourrait révolutionner le suivi de la cicatrisation des plaies. Les médecins pourraient obtenir une image beaucoup plus claire du processus de guérison, identifiant précocement des problèmes comme l'inflammation. »

Graphène induit par laser (LIG) : un matériau 2D aux propriétés thermoélectriques

Les chercheurs ont visé à mesurer avec précision les signaux de température et de contrainte sans diaphonie en utilisant le graphène induit par laser (LIG), un matériau bidimensionnel (2D). Comme tous les matériaux 2D, y compris le graphène ordinaire, le graphène induit par laser est d'un à quelques atomes d'épaisseur 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 — d'une manière qui convertit leur surface en une structure de graphène. Le laser « écrit » essentiellement le graphène directement sur le matériau, en en faisant un moyen simple et évolutif de produire des motifs de graphène pour l'électronique, les capteurs et les dispositifs énergétiques.

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

Cheng : « Dans notre étude, nous sommes un peu tombés sur le fait que ce matériau a aussi des propriétés thermoélectriques. Nous pensons que c'est la première fois que quelqu'un rapporte que le graphène induit par laser a des capacités thermoélectriques. Et c'est vraiment important pour ce que nous essayons de faire ici, qui est de mesurer séparément les changements de température et la contrainte physique ou la déformation. »

Les propriétés thermoélectriques d'un matériau font référence à la capacité de convertir les différences de tension en tension électrique et vice versa, permettant à de tels matériaux d'être utilisés pour des applications comme la récupération d'énergie et la détection de température. Selon Cheng, cette propriété thermoélectrique nouvellement identifiée du LIG facilite la séparation des deux mesures de capteur, le rendant idéal pour des applications de santé comme un capteur intégré dans un pansement.

Cheng : « Quand vous avez des matériaux sensibles à la fois à la température et à la contrainte, il peut être difficile de dire quel signal est causé par des changements dans le matériau. Mais en utilisant cet effet thermoélectrique dans le graphène induit par laser, nous pouvons essentiellement découpler ces deux mesures. Nous pouvons regarder la résistance électrique pour obtenir des informations sur la contrainte, tout en mesurant 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 site de la plaie et obtenir une image beaucoup plus claire de la progression de la guérison. »

Performance exceptionnelle

Il a également noté que le capteur est hautement sensible, détectant des changements de température aussi faibles que 0,5 degré Celsius. La conception du matériau tire parti de la façon dont le graphène poreux et les composants thermoélectriques travaillent ensemble, le rendant près de quatre fois meilleur pour convertir la chaleur en électricité. Le capteur peut également s'étirer jusqu'à 45 pour cent, ainsi que se conformer à différentes formes et surfaces, sans perdre sa fonction.

Cheng : « La structure poreuse de ce matériau crée beaucoup de petits espaces et canaux qui lui permettent d'interagir avec son environnement d'une manière très sensible. Cela le rend bien adapté pour l'interface avec les tissus mous humains, contrairement aux matériaux thermoélectriques plus rigides, comme ceux à base de céramique. »

Puisque l'aspect thermoélectrique du LIG signifie qu'il peut générer de l'énergie électrique lorsqu'il y a une 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, comme aider à détecter les incendies dans des endroits reculés.

En plus d'affiner le capteur, l'équipe développe un système sans fil qui permettra aux gens de surveiller les données du capteur à distance. Cela rendra possible le suivi d'informations importantes, comme la température ou la contrainte, en temps réel en utilisant des smartphones ou d'autres dispositifs.

Cheng : « Par exemple, un médecin pourrait surveiller l'état d'un patient à distance, ou les secours pourraient recevoir des alertes sur des changements de température dangereux. Ces avancées visent à rendre la technologie plus accessible et efficace, aidant à améliorer la surveillance de la santé et la sécurité dans les situations quotidiennes. »

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