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Un timbre biométrique pour surveiller et diffuser un traitement

Une équipe rassemblant des chercheurs basés en Corée du Sud et aux États-Unis a développé un prototype de timbre épidermique capable de détecter les mouvements des muscles, d’enregistrer ces informations et de les comparer à des modèles préenregistrés afin de diffuser une substance médicale. Encore en développement, un tel dispositif pourrait être utilisé pour traiter les personnes souffrant d’épilepsie, de problèmes cardiaques ou de la maladie de Parkinson.

Le timbre épidermique mis au point par une équipe de chercheurs basés en Corée du Sud et aux États-Unis repose sur une technologie que nous avions présentée il y a un an. Cette nouvelle version intègre pour la première fois une mémoire de stockage et un système permettant de diffuser une substance médicamenteuse via des nanoparticules poreuses qui sont chauffées. L’objectif à long terme des chercheurs est de parvenir à créer un timbre épidermique autonome, capable de repérer un symptôme et de délivrer le traitement adéquat. Il pourrait notamment servir pour aider les personnes souffrant de la maladie de Parkinson, d’épilepsie ou de troubles cardiaques. © Donghee Son, Jongha Lee Le timbre épidermique mis au point par une équipe de chercheurs basés en Corée du Sud et aux États-Unis repose sur une technologie que nous avions présentée il y a un an. Cette nouvelle version intègre pour la première fois une mémoire de stockage et un système permettant de diffuser une substance médicamenteuse via des nanoparticules poreuses qui sont chauffées. L’objectif à long terme des chercheurs est de parvenir à créer un timbre épidermique autonome, capable de repérer un symptôme et de délivrer le traitement adéquat. Il pourrait notamment servir pour aider les personnes souffrant de la maladie de Parkinson, d’épilepsie ou de troubles cardiaques. © Donghee Son, Jongha Lee

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Voilà un an de cela, Futura-Sciences vous avait fait découvrir un timbre épidermique ultrafin, capable de surveiller des signes vitaux comme le rythme cardiaque, la température ou encore l’hydratation. Il était basé sur les travaux du professeur John Rogers de l’université de l’Illinois aux États-Unis, qui a cofondé la société MC10 afin de commercialiser cette innovation. Une équipe rassemblant des chercheurs de l’université nationale de Séoul (Corée du Sud) et de l’université du Texas à Austin a repris cette technologie pour créer un timbre épidermique capable de détecter l’activité musculaire d’une personne et, si nécessaire, de diffuser un traitement médical approprié en chauffant des nanoparticules.

« Des systèmes portables qui surveillent l’activité musculaire, stockent l’information et délivrent une thérapie représentent la prochaine frontière de la médecine personnalisée et des soins de santé », écrivent les auteurs dans leur article scientifique publié dans la revue Nature Nanotechnology. Si la technologie sur laquelle repose le timbre est la même que celle présentée l’année dernière, la nouvelle version introduit pour la première fois une mémoire de stockage et la possibilité de diffuser un traitement en se basant sur des données enregistrées.

Appliqué sur la peau, ce timbre biométrique détecte les contractions musculaires de la personne qui le porte. Ces données sont sauvegardées dans la mémoire puis comparées à des modèles préenregistrés afin de discerner s’il s’agit d’une activité musculaire naturelle ou de spasmes liés à une maladie comme l’épilepsie, Parkinson ou des troubles cardiaques. Si tel est le cas, le timbre pourrait alors diffuser une substance médicamenteuse.

La structure du timbre épidermique. Il est parcouru de nanomembranes en silicium en forme de serpentin qui détectent les variations de résistance électrique (strain sensor). Le timbre lui-même est fait d’un substrat polymère (hydrocolloid skin patch) qui épousant les reliefs de la peau. Dans la vignette supérieure gauche, on distingue la mémoire de type RRAM composée de nanoparticules d’or (Au NP) prises entre deux nanomembranes d’oxyde de titane (TiO2 NM), le tout installé entre des électrodes d’aluminium. Le système de chauffage et le capteur de température (heater/temperature sensor) sont activés pour libérer la substance médicamenteuse qui est emprisonnée dans des nanoparticules poreuses de silice (m-silica NP).
La structure du timbre épidermique. Il est parcouru de nanomembranes en silicium en forme de serpentin qui détectent les variations de résistance électrique (strain sensor). Le timbre lui-même est fait d’un substrat polymère (hydrocolloid skin patch) qui épousant les reliefs de la peau. Dans la vignette supérieure gauche, on distingue la mémoire de type RRAM composée de nanoparticules d’or (Au NP) prises entre deux nanomembranes d’oxyde de titane (TiO2 NM), le tout installé entre des électrodes d’aluminium. Le système de chauffage et le capteur de température (heater/temperature sensor) sont activés pour libérer la substance médicamenteuse qui est emprisonnée dans des nanoparticules poreuses de silice (m-silica NP). © Translational Flextronics Group, université nationale de Séoul

Timbre issu de la combinaison de nanomatériaux

Composé d’un substrat polymère aussi souple et étirable que la peau humaine, le timbre utilise une combinaison de nanomatériaux. Sur la partie supérieure se trouve un réseau de nanomembranes en silicium en forme de serpentin. Lorsque cette structure vient à être étirée par un mouvement musculaire, les variations de résistance électrique sur les filaments sont détectées. La fréquence du signal est comparée à une base de données contenant des modèles d’activité musculaire liés à des maladies, ce qui permet de déterminer s’il s’agit d’une activité musculaire normale ou bien d’un spasme. Ces informations sont enregistrées dans la mémoire embarquée de type RRAM (Resistive random-access memory) dont les cellules ne font que 30 nanomètres d’épaisseur. Elle peut être étirée, courbée ou tordue sans perdre ses propriétés.

La RRAM (aussi appelée ReRAM) est une nouvelle génération de mémoire non volatile basée sur des matériaux diélectriques que l’on présente comme une remplaçante potentielle des mémoires de type DRAM et flash. Dans le cas présent, les chercheurs ont créé cette mémoire RRAM en emprisonnant trois couches de nanoparticules d’or entre deux nanomembranes d’oxyde de titane, le tout étant pris entre des électrodes d’aluminium. Le timbre peut également diffuser une substance médicamenteuse grâce à des éléments chauffants. Un réseau de serpentins en nanofils de chrome et d’or fait office de capteur de température et de système de chauffage. Pour diffuser un traitement, le système élève la température du timbre de quelques degrés, ce qui libère les substances emprisonnées dans des nanoparticules poreuses de silice afin qu’elles pénètrent dans la peau. La température de la peau est surveillée durant le processus pour éviter tout risque de brûlure.

Pour le moment, ce timbre épidermique n’est pas autonome. Les données doivent être transmises et analysées par un microcontrôleur externe afin de déclencher à distance le processus de diffusion du traitement. Le défi pour l’équipe en charge de ce projet est de parvenir à intégrer un système d’alimentation et un microcontrôleur afin de rendre le timbre totalement autonome. L’autre option consisterait à intégrer une étiquette RFID ou un système de transmission sans fil pour que le système communique avec un smartphone par exemple. « Actuellement, nous utilisons un câble amovible ultrafin et étirable, mais nous travaillons à un système sans fil à la fois pour la transmission des données et pour l’alimentation », nous avait déclaré John Rogers il y a un an, sans vouloir entrer dans les détails. Il semblerait que la solution n’ait pas encore été mise au point. La prochaine étape pour les chercheurs sera d’obtenir les autorisations nécessaires pour pouvoir mener des essais cliniques, probablement pas avant quelques années.


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