Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point un patch cutané doux et extensible qui peut être porté sur le cou pour suivre en continu la tension artérielle et la fréquence cardiaque tout en mesurant les niveaux de glucose du porteur ainsi que le lactate, l'alcool ou la caféine. C'est le premier appareil portable qui surveille les signaux cardiovasculaires et plusieurs niveaux biochimiques dans le corps humain en même temps.
«Ce type de portable serait très utile pour les personnes souffrant de problèmes médicaux sous-jacents pour surveiller leur propre santé sur une base régulière», a déclaré Lu Yin, titulaire d'un doctorat en nanotechnologie. étudiant à l'UC San Diego et co-premier auteur de l'étude publiée le 15 février Nature Biomedical Engineering. «Ce serait également un excellent outil pour la surveillance à distance des patients, en particulier pendant la pandémie de COVID-19 lorsque les gens minimisent les visites en personne à la clinique.
Un tel dispositif pourrait profiter aux personnes souffrant d'hypertension artérielle et de diabète - personnes qui sont également à haut risque de tomber gravement malades avec le COVID-19. Il pourrait également être utilisé pour détecter l'apparition d'une septicémie, qui se caractérise par une chute brutale de la pression artérielle accompagnée d'une augmentation rapide du taux de lactate.
Un patch cutané doux qui peut tout faire offrirait également une alternative pratique aux patients des unités de soins intensifs, y compris les nourrissons de l'USIN, qui ont besoin d'une surveillance continue de la pression artérielle et d'autres signes vitaux. Ces procédures consistent actuellement à insérer des cathéters profondément dans les artères des patients et à attacher les patients à plusieurs moniteurs hospitaliers.
«La nouveauté ici est que nous prenons des capteurs complètement différents et les fusionnons sur une seule petite plate-forme aussi petite qu'un timbre», a déclaré Joseph Wang, professeur de nano-ingénierie à l'UC San Diego et co-auteur correspondant de l'étude. "Nous pouvons collecter autant d'informations avec ce portable et le faire de manière non invasive, sans causer d'inconfort ou d'interruption de l'activité quotidienne."
Le nouveau patch est le produit de deux efforts pionniers dans le centre UC San Diego pour les capteurs portables, dont Wang est directeur. Le laboratoire de Wang a développé des dispositifs portables capables de surveiller simultanément plusieurs signaux - chimiques, physiques et électrophysiologiques - dans le corps. Et dans le laboratoire du professeur Sheng Xu en nano-ingénierie de l'UC San Diego, les chercheurs ont développé des patchs cutanés électroniques doux et extensibles qui peuvent surveiller la pression artérielle au plus profond du corps. En unissant leurs forces, les chercheurs ont créé le premier appareil portable flexible et extensible qui combine la détection chimique (glucose, lactate, alcool et caféine) avec la surveillance de la pression artérielle.
«Chaque capteur fournit une image distincte d'un changement physique ou chimique. Les intégrer tous dans un seul patch portable nous permet d'assembler ces différentes images pour obtenir un aperçu plus complet de ce qui se passe dans notre corps », a déclaré Xu, qui est également co-auteur de l'étude.
Patch de tous les métiers
Le patch est une fine feuille de polymères extensibles qui peuvent épouser la peau. Il est équipé d'un capteur de pression artérielle et de deux capteurs chimiques - un qui mesure les niveaux de lactate (un biomarqueur de l'effort physique), de caféine et d'alcool dans la sueur, et un autre qui mesure les niveaux de glucose dans le liquide interstitiel.
Le patch est capable de mesurer trois paramètres à la fois, un de chaque capteur: la pression artérielle, le glucose et soit le lactate, l'alcool ou la caféine. «Théoriquement, nous pouvons tous les détecter en même temps, mais cela nécessiterait une conception de capteur différente», a déclaré Yin, qui est également titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Wang.
Le capteur de pression artérielle se trouve près du centre du patch. Il se compose d'un ensemble de petits transducteurs à ultrasons qui sont soudés au patch par une encre conductrice. Une tension appliquée aux transducteurs les amène à envoyer des ondes ultrasonores dans le corps. Lorsque les ondes ultrasonores rebondissent sur une artère, le capteur détecte les échos et traduit les signaux en une lecture de la pression artérielle.
Les capteurs chimiques sont deux électrodes sérigraphiées sur le patch à partir d'encre conductrice. L'électrode qui détecte le lactate, la caféine et l'alcool est imprimée sur le côté droit du patch; il agit en libérant un médicament appelé pilocarpine dans la peau pour provoquer la transpiration et détecter les substances chimiques présentes dans la sueur. L'autre électrode, qui détecte le glucose, est imprimée sur le côté gauche; il fonctionne en faisant passer un léger courant électrique à travers la peau pour libérer du liquide interstitiel et en mesurant le glucose dans ce liquide.
Les chercheurs souhaitaient mesurer ces biomarqueurs particuliers car ils ont un impact sur la pression artérielle. «Nous avons choisi des paramètres qui nous permettraient une mesure de la pression artérielle plus précise et plus fiable», a déclaré la co-première auteure Juliane Sempionatto, titulaire d'un doctorat en nanotechnologie. étudiant dans le laboratoire de Wang.
«Disons que vous surveillez votre tension artérielle, que vous voyez des pics pendant la journée et que vous pensez que quelque chose ne va pas. Mais une lecture de biomarqueurs pourrait vous dire si ces pics étaient dus à une consommation d'alcool ou de caféine. Cette combinaison de capteurs peut vous donner ce type d'informations », dit-elle.
Lors des tests, les sujets portaient le patch sur le cou tout en effectuant diverses combinaisons des tâches suivantes: exercice sur un vélo stationnaire; manger un repas riche en sucre; boire une boisson alcoolisée; et boire une boisson contenant de la caféine. Les mesures du patch correspondaient étroitement à celles recueillies par des dispositifs de surveillance commerciaux tels qu'un brassard de tensiomètre, un glucomètre et un éthylomètre. Les mesures des niveaux de caféine des porteurs ont été vérifiées avec des mesures d'échantillons de sueur dans le laboratoire enrichis de caféine.
Défis d'ingénierie
L'un des plus grands défis de la création du patch était d'éliminer les interférences entre les signaux des capteurs. Pour ce faire, les chercheurs ont dû déterminer l'espacement optimal entre le capteur de pression artérielle et les capteurs chimiques. Ils ont découvert qu'un centimètre d'espacement faisait l'affaire tout en gardant l'appareil aussi petit que possible.
Les chercheurs ont également dû trouver comment protéger physiquement les capteurs chimiques du capteur de pression artérielle. Ce dernier est normalement équipé d'un gel liquide à ultrasons afin de produire des lectures claires. Mais les capteurs chimiques sont également équipés de leurs propres hydrogels, et le problème est que si un gel liquide du capteur de pression artérielle s'écoule et entre en contact avec les autres gels, cela provoquera des interférences entre les capteurs. Au lieu de cela, les chercheurs ont utilisé un gel à ultrasons solide, qui, selon eux, fonctionne aussi bien que la version liquide, mais sans fuite.
«Trouver les bons matériaux, optimiser la mise en page globale, intégrer les différents composants électroniques ensemble de manière transparente - ces défis ont pris beaucoup de temps à surmonter», a déclaré le co-premier auteur Muyang Lin, un doctorat en nanoingénierie. étudiant dans le laboratoire de Xu. «Nous avons la chance d'avoir cette excellente collaboration entre notre laboratoire et le laboratoire du professeur Wang. C'était tellement amusant de travailler avec eux sur ce projet.
Prochaines étapes
L'équipe travaille déjà sur une nouvelle version du patch, une avec encore plus de capteurs. «Il existe des possibilités de surveiller d'autres biomarqueurs associés à diverses maladies. Nous cherchons à ajouter plus de valeur clinique à cet appareil », a déclaré Sempionatto.
Les travaux en cours comprennent également le rétrécissement de l'électronique du capteur de pression artérielle. À l'heure actuelle, le capteur doit être connecté à une source d'alimentation et à une machine de paillasse pour afficher ses lectures. Le but ultime est de mettre tout cela sur le patch et de tout rendre sans fil.
«Nous voulons créer un système complet entièrement portable», a déclaré Lin.
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Article: «Un patch épidermique pour la surveillance simultanée des biomarqueurs hémodynamiques et métaboliques.»
Cette recherche a été financée par le Centre des capteurs portables de l'UC San Diego et les National Institutes of Health (subvention n ° 1R21EB027303-01A1).
