Volumineux, le bourdonnement et le bip des chambres d'hôpital démontrent que la surveillance de l'état de santé d'un patient est un processus invasif et inconfortable, au mieux, et un processus dangereux, au pire. Les chercheurs de Penn State veulent changer cela et fabriquer des biocapteurs qui pourraient rendre la surveillance de la santé moins encombrante, plus précis et beaucoup plus sûr.

La clé serait de fabriquer des capteurs si extensibles et flexibles qu'ils puissent facilement s'intégrer au complexe du corps humain, contours changeants, dit Larry Cheng, le professeur Dorothy Quiggle en ingénierie et une filiale de l'Institute for Computational and Data Sciences. Son laboratoire progresse dans la conception de capteurs capables de faire exactement cela.

Si des biocapteurs à la fois écoénergétiques et extensibles peuvent être réalisés à grande échelle, les chercheurs suggèrent que les ingénieurs peuvent poursuivre—et, dans certains cas, recherchent déjà une gamme d'options pour les capteurs qui peuvent être portés sur le corps, ou même placé à l'intérieur du corps. Le gain serait plus intelligent, un traitement médical plus efficace et plus personnalisé et une meilleure prise de décision en matière de santé, sans trop de problèmes encombrants, bourdonnement et bip des équipements de surveillance.

Certaines des idées que les chercheurs de Penn State et du monde entier étudient incluent des textiles extensibles pouvant incorporer des biocapteurs. Des capteurs à base de papier pourraient également être utilisés pour créer des pansements intelligents capables de surveiller l'état des plaies. Les tatouages ​​temporaires pourraient même incorporer des biocapteurs pour la surveillance de la santé. Par exemple, un tatouage activé par biocapteur pourrait fournir aux patients diabétiques des estimations instantanées de leur taux de glucose.

Les chercheurs ont récemment publié leur analyse des derniers développements en matière de biocapteurs flexibles et extensibles.

Plus de puissance de calcul

Une antenne capable de transmettre des données est l'élément clé de ces idées de biocapteurs, dit Cheng, qui est également membre du Materials Research Institute de Penn State. Mais ce ne peut pas être une antenne ordinaire. Une antenne dans le corps humain exigerait qu'elle ne soit pas seulement durable, résister aux conditions extrêmes du corps, mais il doit aussi être extensible, il peut donc épouser les contours de divers organes et tissus du corps.

La création de ces antennes extensibles nécessite des calculs complexes pour modéliser toutes les différentes variations que la conception des capteurs peut prendre afin de déterminer les meilleures conceptions. Et cela signifie que le processus de conception à lui seul nécessite beaucoup de puissance de calcul, il ajouta.

« Nous explorons de nombreux modèles et designs lorsque nous étudions ces idées, mais cela peut créer plus de paramètres, " a déclaré Cheng. " Cela peut devenir un problème car il est difficile de trouver la bonne conception avec tous les différents paramètres. C'est pourquoi nous avons besoin de plus de puissance de calcul. Cette puissance de calcul supplémentaire peut nous aider à jouer avec les différents paramètres et à découvrir l'effet de chacun. Ensuite, nous pourrons trouver comment les optimiser. »

L'équipe veut également voir comment les propriétés mécaniques et électromagnétiques sont modifiées lorsque l'appareil change de forme.

"Nous devons tirer parti des ressources de calcul pour concevoir cette antenne efficace qui peut être extensible, mais, plus important, avec cette antenne extensible, nous pouvons faire beaucoup de choses parce que si nous voulons obtenir l'endroit où ces capteurs transmettent des données, cette antenne est l'élément clé que vous ne pouvez pas contourner, " il a dit.

Et tout simplement plus de puissance

La prochaine étape consiste à trouver des moyens d'alimenter les capteurs. Les batteries actuelles peuvent être trop grosses et rigides pour alimenter un capteur qui peut fonctionner sur ou dans un corps humain, dit Cheng. Son laboratoire étudie actuellement de nouvelles façons d'alimenter les biocapteurs.

Alors que nous pourrions penser que nous devons brancher le capteur sur une source d'énergie, Cheng a dit que nous sommes en fait entourés de sources d'énergie naturelles et artificielles, appelée énergie ambiante.

"Notre travail est désormais également axé sur la récupération de l'énergie ambiante, qui peut inclure le Wi-Fi—le 3-G, 4-G ou 5-G, ou encore des sources micro-ondes, " dit Cheng. " Avec l'énergie ambiante, c'est toujours allumé, que vous l'utilisiez ou non, c'est là. Même quand tu vas dormir, c'est là. Si nous ne récoltons pas cette énergie, c'est juste du gâchis."

La conception des chercheurs nécessite une antenne redresseuse extensible, ou rectenne, capable de convertir l'énergie électromagnétique en courant continu. Cheng a dit que cela pourrait peut-être alimenter l'appareil, ou charger une batterie comme source d'alimentation.

Parce que l'appareil a accès à une plus large gamme d'énergie disponible, les premiers résultats montrent que la conception des chercheurs est environ 10 à 100 fois meilleure que les modèles existants.

"Si nous ne récoltions l'énergie qu'à une seule fréquence, ce sera, bien sûr, minimiser la quantité d'énergie que nous pouvons utiliser, mais en récupérant l'énergie sur une large bande autour de l'appareil, cela augmentera l'efficacité, ", a déclaré Cheng.

Orientations futures :Pop-ups et organoïdes

À l'avenir, Cheng a déclaré que son équipe continuerait à travailler sur les biocapteurs, mais ils étudient également l'intégration potentielle de biocapteurs avec des organoïdes, qui sont de culture humaine, tissus spécifiques d'organes conçus pour imiter la fonction des organes naturels. Cheng a déclaré que les organoïdes pourraient être utilisés pour des tests médicaux.

« Les tests sur les animaux sont assez souvent utilisés dans la recherche médicale, mais tester dans les organoïdes nous donnerait une option beaucoup plus éthique, " il a dit.

Cheng a ajouté que la conception de matériaux pouvant prendre des formes tridimensionnelles est un autre domaine d'exploration de recherche future pour le groupe. Ces conceptions « pop-up » pourraient être insérées dans une zone cible en tant que surface plane, mais ensuite se transformer en une forme 3-D. Ceux-ci pourraient être utilisés dans de futures applications dans les domaines de la santé et du médical, entre autres.