Une étude récente publiée dans Nature Electronics discute des interfaces graphène-hydrogel étirables pour la bioélectronique portable et implantable.

Les nanocomposites extensibles et conducteurs dotés de caractéristiques mécaniquement douces, fines et biocompatibles jouent un rôle essentiel dans le développement de dispositifs portables ressemblant à de la peau, de robots souples intelligents et de bioélectronique implantable.

Bien que plusieurs stratégies de conception impliquant l'ingénierie de surface aient permis de surmonter l'inadéquation mécanique entre les électrodes fragiles et les polymères étirables, il reste difficile de réaliser l'intégration monolithique de divers composants dotés de fonctionnalités diverses à l'aide des nanocomposites conducteurs étirables ultra-fins actuels. Ceci est attribué au manque de systèmes de nanomatériaux conducteurs adaptés à des stratégies de structuration faciles.

Le graphène induit par laser (LIG), généralement dérivé de l'irradiation laser du polyimide (PI), présente divers avantages distincts, tels que des processus de création de motifs numériques faciles, une compatibilité avec les approches de transfert de motifs, ainsi que des caractéristiques physiques et chimiques réglables pour produire divers capteurs portables. .

Cependant, ces dispositifs multifonctionnels sont construits sur des substrats PI flexibles ou des films élastiques relativement épais en raison des limitations mécaniques liées au transfert de LIG vers des élastomères souples. De plus, l'inadéquation mécanique entre le LIG fragile et le polymère élastique entrave l'extensibilité des nanocomposites conducteurs.

Les auteurs de l’article décrivent un nanocomposite élastique ultra-mince à base de LIG-hydrogel pour la bioélectronique multifonctionnelle sur la peau et implantable. Une nouvelle stratégie est proposée pour créer un nanocomposite ultrafin à base de LIG, formé par transfert cryogénique (77 K) de LIG sur un film d'hydrogel (épaisseur minimale de 1,0 μm). Ensuite, l'inadéquation mécanique entre le LIG fragile et le polymère élastique, qui utilise l'hydrogel comme interface de dissipation d'énergie et chemin électrique hors plan, est résolue.

Des fissures déviées en continu peuvent être induites dans le LIG, ce qui conduit à une multiplication par cinq de l'extensibilité intrinsèque. Dans l'ensemble, cette recherche fournit une stratégie viable pour construire des nanocomposites extensibles ultrafins à base d'hydrogel de carbone pour les systèmes de capteurs intégrés, permettant diverses applications dans la bioélectronique portable/implantable et les interactions homme-machine.

Kaichen Xu, auteur correspondant, a noté :« La méthode de transfert LIG conventionnelle nécessite une épaisseur beaucoup plus grande (> 45 µm) d'élastomères ou de rubans adhésifs pour fournir une forte force interfaciale pendant le processus de décollement, ce qui entrave les applications bioélectroniques conformes. Le transfert de LIG vers des élastomères est surmonté par une approche de transfert cryogénique à –196 ℃ utilisant un hydrogel ultrafin et adhésif d'alcool polyvinylique/acide phytique/miel (PPH)."

Au cours du processus de refroidissement rapide, l'énergie de liaison interfaciale entre le graphène poreux défectueux et l'eau cristallisée dans l'hydrogel est améliorée, comme l'illustrent les calculs de dynamique moléculaire (MD). Une augmentation aussi spectaculaire de la force de liaison superficielle à 77 K a également été capturée lors du test de pelage à 180°. La force de pelage transitoire maximale de 160 N·m ^-1 à 77 K a été observé, ce qui était beaucoup plus élevé que cela (<10 N m ^-1 ) provenant de l'adhésion autologue de PPH à température ambiante.

De plus, la stratégie de transfert cryogénique proposée a permis le transfert de LIG sur d’autres types d’hydrogels adhésifs ou non adhésifs, indiquant l’universalité de cette technologie de transfert. Néanmoins, seul l'hydrogel adhésif forme une interface de liaison mécaniquement stable, en particulier sous contrainte de traction.

Grâce à la technique facile d'écriture directe au laser et de transfert cryogénique, les composants du capteur multimodal sont intégrés sous la forme d'une feuille de capteur portable multifonctionnelle pour la surveillance in vitro sur la peau. De plus, les caractéristiques ultrafines et biocompatibles des nanocomposites à base de LIG à micromotifs permettent un contact transparent avec le cœur des rats Sprague Dawley (SD) pour suivre in situ les signaux cardiaques.

Plus d'informations : Yuyao Lu et al, Interfaces graphène-hydrogel extensibles pour la bioélectronique portable et implantable, Nature Electronics (2023). DOI :10.1038/s41928-023-01091-y

Informations sur le journal : Électronique naturelle

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