28 janvier 2024
(Projecteur Nanowerk) Les capteurs portables promettent un suivi de santé continu et personnalisé au-delà des visites cliniques. Mais la plupart des appareils d'aujourd'hui ont encore des conceptions fixes ciblant des applications uniques, manquant de polyvalence pour répondre aux besoins changeants des utilisateurs. Aujourd'hui, les chercheurs rapportent dans Matériaux avancés (« Nanocomposite de graphène magnétique dur pour une électronique douce multimodale et reconfigurable ») des capteurs de graphène à auto-assemblage magnétique qui pourraient permettre la vision tant recherchée d'une électronique portable modulaire et reconfigurable personnalisée pour les individus. Équilibrer les propriétés électriques appropriées avec les caractéristiques mécaniques biocompatibles pose un défi persistant pour le développement de wearables. La précision et la polyvalence du diagnostic s'améliorent grâce à des capteurs précis et adaptables. Pourtant, les facteurs de forme souples qui évitent les irritations de la peau entrent souvent en conflit avec les exigences en matière de composants réglables et hautes performances, comme les aimants durs. Les tentatives précédentes de dispositifs portables reconfigurables sacrifiaient les capacités de détection ou la fiabilité de l'interconnexion par rapport aux dispositifs à usage unique en raison de ces compromis. Mais la nouvelle étude démontre que les nanocomposites de graphène magnétique améliorent la précision des capteurs tout en permettant un auto-assemblage fiable – combinant les meilleurs aspects des biocapteurs flexibles et de l’électronique personnalisable. Les progrès récents des matériaux ont rapproché l’appareil de rêve de la réalité. Le graphène sa conductivité élevée et sa biocompatibilité en font un matériau de détection de base intrigant pour l'électronique montée sur la peau. En induisant des pores dans un film de graphène, les chercheurs ont créé un réseau conducteur flexible bien adapté à diverses modalités de détection, notamment les réactions électrochimiques, les signaux électrophysiologiques tels que l'ECG et les changements de température. L'innovation réside dans l'ajout de particules magnétiques dures à ce film de détection pour l'auto-assemblage. Le « nanocomposite de graphène magnétique » (HMGN) qui en résulte améliore les performances des capteurs tout en permettant des connexions réversibles et reconfigurables.
a) Illustration schématique de l'électronique douce reconfigurable dans un nanocomposite de graphène magnétique. b) Méthode de fabrication de dopage du graphène poreux avec du NdFeB. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) Dans leurs expériences, les chercheurs ont démontré que l'augmentation du film poreux de graphène avec des particules magnétiques augmente considérablement les capacités du capteur. Les tests ont montré que le nanocomposite de graphène magnétique améliorait de 70 % la précision du capteur pour les métabolites comme l'acide urique et la pyridoxine et réduisait les impédances pour la détection électrophysiologique de 87 % par rapport au graphène poreux seul. Par exemple, les capteurs d’acide urique ont montré une sensibilité augmentant de 29.6 à 8 nA/µM-1 après dopage magnétique. Pendant ce temps, les capteurs de température ont augmenté leur sensibilité de 0.14 à 0.22 % °C.-1. Le graphène dopé magnétiquement a également réduit de 87 % les impédances de détection électrophysiologique – de 37.96 kΩ à 4.73 kΩ à des fréquences de 1 kHz. Surtout, les domaines magnétiques permettent aux films HMGN de s'emboîter pour former des connexions électriques fiables sans soudures ni adhésifs. Les champs magnétiques appliqués organisent les domaines magnétiques aléatoires en pôles nord-sud alignés, analogues aux barres magnétiques. Les pôles opposés s'attirent pour auto-assembler des capteurs HMGN modulaires sur un substrat flexible dans des configurations définies par l'utilisateur. Les chercheurs ont testé ce concept en fabriquant un réseau de 16 électrodes de détection d'impédance dans le HMGN. Sur commande, les électrodes carrées se sont détachées et réassemblées en formes de cercle et de triangle pour cartographier les géométries des tissus endommagés. Dans d'autres expériences, l'échange de capteurs HMGN uniques sur un substrat a adapté la sensibilité du dispositif, la couverture spatiale et les modalités de détection telles que les concentrations d'électrolytes, les signaux ECG et la température. L’équipe a intégré des capteurs pour les ions sodium, chlorure et acide urique sur une plate-forme pour surveiller la perte d’électrolytes sudoripares pendant l’exercice. Après avoir collecté des données, les capteurs se sont détachés afin que de nouveaux capteurs pour l'ECG et la température puissent les remplacer pour mesurer la réponse cardiovasculaire, démontrant ainsi le potentiel du HMGN en matière d'électronique portable multifonctionnel efficace. De tels dispositifs flexibles et modulaires pourraient faire progresser les diagnostics et les traitements personnalisés adaptés aux patients et aux contextes individuels. Le suivi continu des marqueurs biophysiques et biochimiques en dehors des environnements cliniques promet également de faire évoluer la médecine vers des soins préventifs plutôt que vers des approches réactives. La voie à suivre consiste à améliorer la biocompatibilité du HMGN pour davantage d’emplacements corporels et à étendre les types de capteurs à des conditions telles que le glucose, l’humidité et la contrainte. Même si les composants électroniques auto-assemblés magnétiquement introduisent une reconfigurabilité prometteuse, le remplacement manuel limite encore les adaptations rapides des appareils à de multiples scénarios sur de courtes périodes. Les systèmes entièrement intégrés qui réorganisent automatiquement les capteurs modulaires plug-and-play en réponse aux entrées contextuelles et aux modèles d'utilisation représentent la prochaine frontière. Néanmoins, cette avancée contribue à concrétiser la vision d'appareils portables intelligents qui améliorent la santé en s'adaptant aux besoins changeants de chaque utilisateur. Les nanocomposites de graphène magnétique induits par laser ouvrent la voie à une électronique multifonctionnelle personnalisable qui surveille en permanence le bien-être XNUMX heures sur XNUMX dans les activités quotidiennes. L’approche modulaire et réversible développée ici rapproche le rêve d’une médecine personnalisée, préventive et participative.
a) Illustration schématique de l'électronique douce reconfigurable dans un nanocomposite de graphène magnétique. b) Méthode de fabrication de dopage du graphène poreux avec du NdFeB. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) Dans leurs expériences, les chercheurs ont démontré que l'augmentation du film poreux de graphène avec des particules magnétiques augmente considérablement les capacités du capteur. Les tests ont montré que le nanocomposite de graphène magnétique améliorait de 70 % la précision du capteur pour les métabolites comme l'acide urique et la pyridoxine et réduisait les impédances pour la détection électrophysiologique de 87 % par rapport au graphène poreux seul. Par exemple, les capteurs d’acide urique ont montré une sensibilité augmentant de 29.6 à 8 nA/µM-1 après dopage magnétique. Pendant ce temps, les capteurs de température ont augmenté leur sensibilité de 0.14 à 0.22 % °C.-1. Le graphène dopé magnétiquement a également réduit de 87 % les impédances de détection électrophysiologique – de 37.96 kΩ à 4.73 kΩ à des fréquences de 1 kHz. Surtout, les domaines magnétiques permettent aux films HMGN de s'emboîter pour former des connexions électriques fiables sans soudures ni adhésifs. Les champs magnétiques appliqués organisent les domaines magnétiques aléatoires en pôles nord-sud alignés, analogues aux barres magnétiques. Les pôles opposés s'attirent pour auto-assembler des capteurs HMGN modulaires sur un substrat flexible dans des configurations définies par l'utilisateur. Les chercheurs ont testé ce concept en fabriquant un réseau de 16 électrodes de détection d'impédance dans le HMGN. Sur commande, les électrodes carrées se sont détachées et réassemblées en formes de cercle et de triangle pour cartographier les géométries des tissus endommagés. Dans d'autres expériences, l'échange de capteurs HMGN uniques sur un substrat a adapté la sensibilité du dispositif, la couverture spatiale et les modalités de détection telles que les concentrations d'électrolytes, les signaux ECG et la température. L’équipe a intégré des capteurs pour les ions sodium, chlorure et acide urique sur une plate-forme pour surveiller la perte d’électrolytes sudoripares pendant l’exercice. Après avoir collecté des données, les capteurs se sont détachés afin que de nouveaux capteurs pour l'ECG et la température puissent les remplacer pour mesurer la réponse cardiovasculaire, démontrant ainsi le potentiel du HMGN en matière d'électronique portable multifonctionnel efficace. De tels dispositifs flexibles et modulaires pourraient faire progresser les diagnostics et les traitements personnalisés adaptés aux patients et aux contextes individuels. Le suivi continu des marqueurs biophysiques et biochimiques en dehors des environnements cliniques promet également de faire évoluer la médecine vers des soins préventifs plutôt que vers des approches réactives. La voie à suivre consiste à améliorer la biocompatibilité du HMGN pour davantage d’emplacements corporels et à étendre les types de capteurs à des conditions telles que le glucose, l’humidité et la contrainte. Même si les composants électroniques auto-assemblés magnétiquement introduisent une reconfigurabilité prometteuse, le remplacement manuel limite encore les adaptations rapides des appareils à de multiples scénarios sur de courtes périodes. Les systèmes entièrement intégrés qui réorganisent automatiquement les capteurs modulaires plug-and-play en réponse aux entrées contextuelles et aux modèles d'utilisation représentent la prochaine frontière. Néanmoins, cette avancée contribue à concrétiser la vision d'appareils portables intelligents qui améliorent la santé en s'adaptant aux besoins changeants de chaque utilisateur. Les nanocomposites de graphène magnétique induits par laser ouvrent la voie à une électronique multifonctionnelle personnalisable qui surveille en permanence le bien-être XNUMX heures sur XNUMX dans les activités quotidiennes. L’approche modulaire et réversible développée ici rapproche le rêve d’une médecine personnalisée, préventive et participative.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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