L'adoption de dispositifs de surveillance des soins de santé qui sont à la fois souples et adaptés à l'utilisateur a gagné du terrain1. Stimulés par le besoin de soins à distance pendant la pandémie de COVID-19 et par les progrès technologiques en matière de précision des capteurs, les dispositifs de surveillance des soins de santé wearables sont de plus en plus répandus dans de nombreux domaines de la santé. En particulier, le développement de wearables de détection et de surveillance pour les opérations de télémédecine s'est intensifié. La télémédecine s'est considérablement développée au cours des dernières années - et encore plus pendant la pandémie de COVID-19, lorsque les contacts entre les médecins et les patients étaient limités - pour surveiller à distance les patients à leur propre domicile afin que les hôpitaux puissent libérer des lits dont ils avaient tant besoin. Bien que les technologies wearables puissent être utilisées dans des environnements cliniques pour fournir une analyse, une grande partie de leur potentiel réside dans la surveillance de la santé à distance.
Ces wearables de détection utilisent généralement des matières souples, telles que des polymères, des couches minces, des matériaux 2D et d'autres nanomatériaux. Les dispositifs de surveillance de la santé sont souvent constitués d'une matière souple qui s'adapte à la personne qui les porte et qui intègre des composants électroniques, notamment des capteurs, une source d'énergie (qu'il s'agisse d'une batterie, d'une cellule solaire ou d'un autre type de capteur d'énergie comme un nanogénérateur), des technologies de communication s'ils transmettent des données à un système de traitement central et toute autre circuiterie pertinente.
La conception de composants électroniques suffisamment petits et flexibles pour être utilisés dans les technologies wearables n'est pas si simple : différents nanomatériaux, en particulier des matériaux 2D, sont souvent utilisés pour créer les composants parce qu'ils répondent à ces critères et peuvent être facilement intégrés. Toutefois, une autre approche suscite de plus en plus d'intérêt : imprimer des capteurs (les éléments les plus importants d'un système de surveillance) directement sur l'appareil wearable.
Ces capteurs imprimés sont parfois constitués de matériaux 2D et d'autres nanomatériaux, mais d'autres matières peuvent également être utilisées. La possibilité d'imprimer des capteurs sur des dispositifs de surveillance de la santé wearables pourrait ouvrir la voie à une commercialisation beaucoup plus simple et facile d'un plus grand nombre de dispositifs de surveillance wearables, en particulier si des technologies d'impression conventionnelles, peu coûteuses ou faciles à utiliser sont utilisées pour imprimer le capteur.
Bien qu'il existe une variété de méthodes avancées de dépôt et de nano-dépôt permettant de fabriquer des capteurs à couche mince sur le substrat des wearables - souvent un polymère souple en raison de sa flexibilité et de sa conformabilité - un certain nombre de capteurs biomédicaux peuvent être imprimés à l'aide de techniques de sérigraphie. D'autres techniques, telles que l'impression jet d'encre et l'impression par transfert, peuvent également être utilisées, mais la sérigraphie est considérée comme la meilleure option pour l'impression des capteurs.
Les équipements de sérigraphie sont largement disponibles, leur coût est relativement faible et ils sont plus faciles à utiliser que les méthodes de dépôt plus avancées. Ainsi, ils offrent une solution beaucoup plus évolutive et commercialement faisable pour l'utilisation de capteurs imprimés dans les dispositifs de surveillance des soins de santé. La sérigraphie peut également être utilisée avec de nombreux matériaux, des solutions polymères aux encres conductrices à base de nanomatériaux, et constitue donc une plateforme polyvalente pour l'impression d'un certain nombre de capteurs.
Alors, pourquoi imprimer des capteurs plutôt que de les créer par d'autres procédés de fabrication ? La sérigraphie est une technique d'impression simple, rapide et efficace qui permet de produire un grand nombre de motifs identiques en une seule impression. En ce qui concerne les opérations à grande échelle et le potentiel de commercialisation, la sérigraphie peut facilement être adaptée à la production de masse à un coût inférieur aux autres méthodes.
Du point de vue des performances, la sérigraphie fournit des motifs haute résolution et peut imprimer sur de grandes surfaces. La possibilité qu'offre la sérigraphie de déposer le matériau à la demande à un endroit donné contribue également à réduire les déchets, en particulier à grande échelle, par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles, car tout se fait en une seule étape.
L'utilisation des méthodes d'impression présente donc un certain nombre d'avantages pour la fabrication. En outre, il existe une plus grande capacité de conception pour les appareils de santé wearables : les méthodes d'impression permettent de produire des capteurs qui sont non seulement très fins, mais peuvent aussi être imprimés sur la surface du dispositif. Cette approche est beaucoup plus simple que d'essayer d'intégrer des composants dans le matériau de la matrice du wearable. Il est également possible de créer un capteur plus personnalisé en imprimant à la demande, et le processus d'impression peut être modifié pour fabriquer un capteur différent beaucoup plus facilement qu'avec une ligne de fabrication classique.
En ce qui concerne les matériaux compatibles avec la sérigraphie, le champ d'application est vaste. En fonction du type de capteur créé, toute une série de matériaux peuvent être utilisés. D'une part, divers métaux peuvent être transformés en encres conductrices imprimables pour fabriquer le capteur. Les métaux couramment utilisés pour les capteurs de santé wearables sont l'or, le cuivre, le platine, le nickel, l'aluminium et l'argent. Outre les métaux, une variété de nanomatériaux composites (graphène, nanotubes de carbone composites), d'encres de nanomatériaux fonctionnels et de composites d'argent ont tous été utilisés comme surface de détection active dans les capteurs imprimés de santé.
Les capteurs ont également besoin d'une plateforme sur laquelle imprimer. Celle-ci prend souvent la forme d'un polymère conducteur afin que le capteur puisse mieux interagir avec la peau et les autres composants pour offrir une sensibilité et une fiabilité accrues. PEDOT:PSS est la plateforme polymère la plus largement employée pour les capteurs imprimés, mais d'autres matériaux polymères incluent le polyacétylène, le polypyrrole, le polyphénylène, le poly (p-phénylène vinylène) et le polythiophène polyaniline.
Tout comme de nombreux matériaux peuvent être utilisés pour créer des capteurs de santé imprimés, de nombreux types différents de capteurs imprimables sont utilisés dans les dispositifs de surveillance de la santé. Prenons l'exemple des capteurs basés sur la contrainte. Les capteurs basés sur la contrainte mesurent une forme de mouvement, et ces capteurs wearables sont utilisés dans des approches de surveillance de signal physiologique humain et de surveillance de mouvement articulaire humain.
Une autre spécialité des soins de santé mesure différentes biomolécules et signaux humains. Les capteurs non basés sur la contrainte détectent la biomolécule d'intérêt directement ou en mesurant directement un paramètre physiologique présenté par le patient. D'un point de vue de détection moléculaire, il est possible de détecter un certain nombre de biomolécules dans le sang, les taux de glucose étant communs, ainsi que la présence de sueur sur la peau d'une personne. Du point de vue de la détection de signaux, les capteurs imprimés peuvent maintenant détecter les niveaux de respiration et de rythme cardiaque chez un patient et fournir une surveillance d'électrocardiogramme (ECG) à distance.
Les réseaux de capteurs constituent une autre catégorie de capteurs imprimés pour les wearables. Dans les réseaux de capteurs, plusieurs capteurs fonctionnent ensemble pour détecter des problèmes plus complexes ou nécessitant une analyse sous plusieurs angles de stimuli. Les réseaux de capteurs sont utiles pour surveiller la démarche pendant la marche, la posture assise des utilisateurs de fauteuils roulants et la peau.
Enfin, des progrès ont été réalisés dans le développement de capteurs de température imprimés pour les appareils de santé wearables. La détection thermique est un élément clé de la détection des maladies, car le corps subit des contraintes thermiques en présence d'une maladie et l'augmentation de la température corporelle profonde et de la peau peut être un indicateur primaire d'une maladie grave. En utilisant des capteurs de température imprimés, les appareils de santé wearables peuvent détecter diverses maladies chroniques, telles que les maladies cardiovasculaires, diabétiques et pulmonologiques, ainsi que le cancer.
Les wearables pour la surveillance de la santé sont de plus en plus reconnus comme un moyen efficace de mesurer à distance de nombreux facteurs de la santé d'un patient. L'aspect le plus important de ces wearables est le système de détection qui permet de réaliser une analyse sur le patient. Pour que les patients soient prêts à porter l'appareil de surveillance de la santé pendant une période prolongée, les capteurs et autres composants doivent fléchir avec le composant wearable. Bien qu'il soit possible d'intégrer des capteurs flexibles, par exemple en utilisant des nanomatériaux minces, l'impression de capteurs sur la surface du dispositif est beaucoup plus facile, nécessite moins de matériaux et est beaucoup plus évolutive.
Il existe déjà toute une série de wearables de santé imprimés (au niveau commercial et académique). Les méthodes d'impression présentées permettent d'assurer une large diffusion des wearables de santé. Bien que de nombreuses options soient disponibles, la sérigraphie est la principale technologie d'impression, car elle est très polyvalente et peut être utilisée avec de nombreux matériaux pour créer des capteurs qui surveillent différents aspects de la santé d'une personne - de la fréquence cardiaque à la détection de la probabilité d'une maladie, en passant par les différentes biomolécules présentes dans leur sang, et bien d'autres éléments.
À propos de l’auteur
Liam Critchley est un écrivain, journaliste et communicateur qui se spécialise dans la chimie et la nanotechnologie et dans la façon dont les principes fondamentaux au niveau moléculaire peuvent être appliqués à de nombreux domaines d'application différents. Liam est peut-être plus connu pour son approche informative et son explication de sujets scientifiques complexes aux scientifiques et aux non-scientifiques. Liam a publié plus de 350 articles dans divers domaines scientifiques et industries qui recoupent à la fois la chimie et la nanotechnologie.
Liam est Senior Science Communications Officer à la Nanotechnology Industries Association (NIA) en Europe et a passé les dernières années à écrire pour des entreprises, des associations et des sites Web de médias à travers le monde. Avant de devenir écrivain, Liam a obtenu une maîtrise en chimie avec la nanotechnologie et le génie chimique.
En plus d’écrire, Liam est également membre du conseil consultatif de la National Graphene Association (NGA) aux États-Unis, de l’organisation mondiale Nanotechnology World Network (NWN) et membre du conseil d’administration de GlamSci – A UK-based science Charity. Liam est également membre de la British Society for Nanomedicine (BSNM) et de l’International Association of Advanced Materials (IAAM), en plus d’être pair-examinateur pour plusieurs revues universitaires.