Dans une étude récente publiée dans Science Advances , des chercheurs du California Institute of Technology, dirigés par le Dr Wei Gao, ont développé une peau électronique épifluidique imprimée en 3D alimentée par l'apprentissage automatique (ML) pour la surveillance multimodale de la santé. Cette plate-forme portable permet une surveillance physique et chimique en temps réel de l'état de santé.
Les appareils de santé portables ont le potentiel de révolutionner le monde médical, en offrant un suivi en temps réel, des traitements personnalisés et un diagnostic précoce des maladies.
Cependant, l’un des principaux défis de ces dispositifs est qu’ils ne suivent pas les données au niveau moléculaire et que leur fabrication est difficile. Le Dr Gao a expliqué pourquoi cela a motivé son équipe.
« De nos jours, la recherche s'intéresse de plus en plus aux soins de santé personnalisés afin de révolutionner les pratiques médicales traditionnelles. Pour surmonter ces défis, nous utilisons notre technologie d'impression 3D pour créer des composants essentiels, tels que des capteurs physiques, des capteurs chimiques, des microfluidiques et des supercondensateurs, pour nos appareils portables. plate-forme", a déclaré le Dr Gao à Phys.org.
C'est exactement ce que le Dr Gao et son équipe ont fait en réalisant la production en série d'une plateforme portable appelée e 3 . -skin, qui est imprimé en 3D sur des matériaux personnalisés.
e 3 -skin :Une peau électronique épifluidique imprimée en 3D
Le nom e 3 -skin est dérivé de la « peau électronique élastique épifluidique ». Il s'agit d'un système portable imprimé en 3D qui surveille en permanence divers paramètres physiologiques et prédit les réponses comportementales.
Le Dr Gao a expliqué les différentes composantes de e 3 -skin, déclarant :"Tous les principaux composants de la plate-forme portable, y compris les capteurs physiques, les capteurs chimiques, la microfluidique et les micro-supercondensateurs de stockage d'énergie, pourraient être facilement préparés via l'impression 3D par extrusion de divers matériaux fonctionnels."
Qu'est-ce qui définit le e 3 À part la peau se trouvent les capteurs biochimiques et le système microfluidique imprimés en 3D. L'intégration de la technologie d'impression 3D est un aspect essentiel du projet e 3 . -création de skin.
L'impression 3D offre précision et personnalisation, permettant aux chercheurs de concevoir et de fabriquer avec précision les composants essentiels. Cela a rationalisé la production et permis l'intégration de structures et de matériaux complexes, y compris les capteurs biochimiques imprimés en 3D et la microfluidique.
Le Dr Gao a précisé :« Les capteurs biochimiques portables pourraient fournir des informations cruciales sur la santé au niveau moléculaire. Lorsqu'ils sont associés à des capteurs biophysiques, ils peuvent fournir des informations plus complètes sur notre état de santé. »
De plus, l’utilisation de la microfluidique, la science consistant à manipuler et à contrôler de minuscules quantités de fluides dans de petits canaux ou dispositifs, les a aidés à analyser les biomarqueurs présents dans la sueur humaine. La microfluidique peut induire automatiquement la sueur par ionophorèse, la collecter sans avoir besoin d'une activité intense, minimiser l'évaporation de la sueur et faciliter l'analyse biochimique en temps réel avec des échantillons de sueur fraîche.
Le e 3 Les capacités de -skin s'étendent au-delà de ses composants matériels. Il intègre des algorithmes ML, qui jouent un rôle central dans ses fonctionnalités. Mais avant de se lancer dans le ML, il est essentiel de comprendre le matériau remarquable qui constitue l'e 3 . -skin possible :MXene.
MXene, une famille de matériaux 2D, est un matériau polyvalent connu pour ses propriétés uniques. Ti3 aqueux C2 Tx (MXene) a servi d'encre pour imprimer en 3D les interconnexions et les capteurs biophysiques de l'e 3 -peau.
L'équipe a utilisé le MXene pour remédier à une limitation des systèmes portables actuels. Selon les mots du Dr Gao : « La plupart des systèmes portables actuels reposent sur des batteries, qui sont rigides, encombrantes et insuffisantes, nécessitant un remplacement fréquent. »
Pour remédier à cette limitation, l'e 3 -skin intègre une cellule solaire, récupérant l'énergie de la lumière ambiante et la stockant efficacement dans des micro-supercondensateurs à base de MXène imprimés en 3D. Cette innovation permet un fonctionnement durable et sans batterie pour une surveillance de la santé à long terme lors des activités quotidiennes.
Les nanofeuilles de MXène possèdent des propriétés telles que des surfaces chargées négativement et un caractère hydrophile, qui leur permettent de se disperser et de rester stables dans l'eau. Cela permet une impression précise, avec des filaments MXene ayant des largeurs de trait réglables et la capacité d'adhérer à des substrats flexibles, comme la peau humaine.
Le Dr Gao a en outre souligné :« Les filaments MXene imprimés peuvent former des réseaux uniformes avec des motifs complexes, permettant la création de structures complexes au sein de l'e 3 . -peau."
La polyvalence de MXene s'étend à la détection de température, avec des capteurs présentant un coefficient de température négatif et une stabilité à l'usure.
Pour la surveillance du pouls, MXene, en combinaison avec des nanotubes de carbone, forme des capteurs avec des conceptions de mousse personnalisables, garantissant une sensibilité et une durabilité élevées. Cela permet notamment une surveillance fiable du pouls radial sur des sujets humains.
De plus, le e 3 Les capacités de -skin s'étendent à la prédiction des réponses comportementales à la consommation d'alcool, ce qu'ils ont démontré. Le Dr Gao a déclaré : « Dans notre cas, nous avons utilisé le e 3 -la peau pour collecter des informations sur l'alcool transpirant et les signes vitaux (tels que la fréquence cardiaque et la température de la peau), fournissant ainsi un aperçu plus complet des réponses comportementales."
ML analyse ces données pour prédire le temps de réponse et le degré de déficience d'un individu. L'alcool transpirant joue un rôle central dans la prévision du temps de réponse, tandis que la fréquence cardiaque complète l'alcool transpirant pour une prévision plus précise des déficiences.
e 3 -la peau est très prometteuse, récoltant le meilleur du ML, des matériaux et de la médecine. "e 3 "-skin offre des opportunités passionnantes pour faire progresser les biocapteurs portables vers des applications pratiques dans les soins de santé modernes", a souligné le Dr Gao.
Grâce à sa surveillance continue des biomarqueurs vitaux et à sa collecte approfondie de données, il a le potentiel de prédire les déficiences cognitives et comportementales et de surveiller divers aspects de la santé.
Les données collectées par l'e 3 -la peau pourrait améliorer les soins de santé personnalisés en permettant une alerte précoce, un diagnostic précoce et une intervention rapide pour maximiser les résultats en matière de santé.
Le Dr Gao a conclu en déclarant : « Les vastes ensembles de données collectées par de tels appareils portables multimodaux dans les activités quotidiennes, couplées aux algorithmes modernes de ML, peuvent extraire la relation sous-jacente entre le niveau de biomarqueur et des problèmes de santé complexes.
"Ainsi, il promet de remodeler le domaine de la surveillance de la santé portable et de permettre des soins de santé personnalisés basés sur les données."
Plus d'informations : Yu Song et al, Peau électronique épifluidique imprimée en 3D pour la surveillance multimodale de la santé basée sur l'apprentissage automatique, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adi6492
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