Un hydrogel polymère adhérent et conducteur pur pour les applications médicales

Les progrès rapides de l’électronique et des outils d’intelligence artificielle (IA) ont ouvert des opportunités intéressantes pour le développement de technologies pour un large éventail d’applications. Il s'agit notamment de dispositifs implantables conçus pour soutenir le traitement de problèmes médicaux, surveiller des processus biologiques ou augmenter les capacités humaines.

Des chercheurs de l’Université nationale de Séoul, de l’Institut avancé des sciences et technologies de Corée (KAIST), de l’Université de Konkuk et de l’Université de Hanyang ont récemment créé un nouvel hydrogel basé sur un polymère conducteur pur qui pourrait être utilisé pour créer des dispositifs biocompatibles.

Cet hydrogel, présenté dans un article publié dans Électronique naturellepourrait être plus facile à produire et à adapter à des applications spécifiques que d’autres matériaux similaires développés dans le passé.

“L'électronique directement implantée dans le corps ne peut pas encore échapper aux matériaux durs conventionnels, donc les effets secondaires tels que la réponse immunitaire induite par des disparités mécaniques avec les tissus biologiques mous constituent des risques critiques en cas d'implantation prolongée”, a déclaré Seung Hwan Ko, co-auteur de l'article. Xplorer.

“Pour résoudre ce problème, l'électronique est développée en utilisant des matériaux souples qui ont des propriétés similaires à celles de notre corps (par exemple, un faible module d'Young, une teneur élevée en eau), mais elles sont confrontées aux limites d'une mauvaise performance de l'appareil et d'une faible stabilité mécanique dans des environnements physiologiques humides. “

Ko et ses collaborateurs développent de nouveaux matériaux souples depuis plus de cinq ans, en utilisant diverses techniques de traitement susceptibles d'assurer leur stabilité dans des environnements humides, comme l'intérieur du corps humain.

Leurs travaux récents se sont spécifiquement concentrés sur les hydrogels, des matériaux artificiels qui ressemblent le plus au corps humain, car ils se caractérisent par un faible module d'Young (c'est-à-dire la capacité à résister à des changements de longueur lorsqu'une force est appliquée) et un module d'Young élevé. teneur en eau.

“Pour garantir la conductivité électrique élevée des hydrogels conducteurs, nous n'avons utilisé aucun polymère isolant, mais traitons uniquement le polymère conducteur pur (PEDOT : PSS)”, a expliqué Ko.

“Les principaux objectifs de notre recherche étaient la fabrication de dispositifs électroniques à hydrogel conducteurs extrêmement stables, l'assurance de performances électriques du dispositif à hydrogel dépassant largement les dispositifs actuels et la réalisation de ces propriétés à l'échelle microscopique avec des processus simples.”

Dans un article précédent publié en 2022, les chercheurs avaient introduit un processus de microstructuration d’hydrogels conducteurs, qui implique la séparation induite par laser de PEDOT:PSS.

Cependant, le PEDOT:PSS épais et sombre pouvait facilement absorber la lumière visible dans la plupart des longueurs d'onde. Ils ont donc constaté que la technique proposée ne parvenait pas à fournir de l'énergie photothermique aux substrats et ne pouvait pas créer de liaisons solides.

” Parallèlement à notre article de 2022, des inquiétudes prédominaient quant au fait que la plupart des composants électroniques conducteurs à hydrogel existants ne pourraient pas surmonter les limitations d'utilisation pratique en raison du délaminage facile des substrats à l'intérieur des corps humides “, a déclaré Ko. « Dans notre nouvel article, nous avons trouvé l'inspiration pour résoudre ce problème au niveau de « l'interface ». L'idée était de créer des liaisons directes avec PEDOT:PSS et le substrat en concentrant l'énergie photothermique du laser à l'interface.”

Comme la plupart des substrats polymères souples peuvent transmettre la majorité de la lumière visible, Ko et ses collègues ont décidé de retourner les substrats transparents recouverts de PEDOT : PSS et de les irradier avec un faisceau laser de 532 nm. Ce faisceau a été transmis à travers le substrat transparent, permettant au polymère PEDOT:PSS de l'absorber et de générer une énergie photothermique concentrée à l'interface avec le substrat.

“En immergeant ensuite l'échantillon traité au laser dans l'eau, seule la région traitée par laser reste très stable dans l'eau en raison de la séparation de phase du PEDOT: PSS et de la forte liaison avec les substrats”, a déclaré Ko. “Ces modèles PEDOT:PSS uniques deviennent des hydrogels conducteurs pouvant contenir plus de 80 % d'eau et sont composés uniquement de polymère conducteur pur, garantissant une conductivité élevée de plus de 100 S/cm.”

La stratégie de microstructuration assistée par laser employée par les chercheurs implique simplement une irradiation laser, éliminant ainsi le besoin d'étapes de prétraitement complexes. Ses seules exigences sont le séchage minutieux du PEDOT:PSS sur des substrats polymères et des conditions de numérisation laser bien définies.

“Essentiellement, nous coulons la solution PEDOT: PSS sur divers substrats polymères et la séchons bien”, a déclaré Ko. “Ensuite, les paramètres appropriés du faisceau laser sont irradiés vers les substrats transparents, ce qui induit une séparation de phase du PEDOT: PSS et crée des liaisons fortes avec le substrat. De plus, la séparation de phase du PEDOT: PSS peut être encore augmentée pour améliorer la conductivité électrique, et un post-traitement avec divers solvants organiques est possible.

Dans le cadre de leur récente étude, les chercheurs ont spécifiquement traité leur hydrogel à l’aide d’éthylène glycol. En utilisant la stratégie proposée, ils ont produit un motif d’hydrogel avec une résolution de 5 µm, comparable à la résolution obtenue à l’aide des techniques de photolithographie.

“Divers processus basés sur des solutions peuvent également facilement modéliser des hydrogels conducteurs”, a déclaré Ko. “Habituellement, les hydrogels conducteurs sont synthétisés à l'état de solution ou transformés en mélanges, ils sont donc modelés via divers processus de solution tels que l'impression 3D, l'impression à jet d'encre et la sérigraphie. Ces processus ont des limites en termes de résolution spatiale supérieure à 100 micromètres en raison de la propagation du liquide. effets.”

L’une des méthodes les plus avancées pour la structuration à haute résolution d’hydrogels est la photolithographie. Si cette technique permet d’obtenir une bonne résolution, elle nécessite également des processus de fabrication complexes et coûteux, sans garantir la forte liaison des polymères aux substrats.

“Normalement, l'électronique à hydrogel souple est considérée comme très fragile, et il y a eu un accord tacite dans le domaine de la recherche selon lequel il est trop tôt pour des applications pratiques”, a déclaré Ko. “De plus, il n'était pas clair si les microélectrodes conductrices d'hydrogel pouvaient être utilisées pratiquement pour une implantation prolongée en raison du risque critique de délaminage dû à leurs caractéristiques riches en eau.

“Notre travail est d'une grande importance, car nous avons montré que la microélectronique fabriquée uniquement avec des hydrogels conducteurs purs adhère à divers substrats polymères commerciaux avec des forces de liaison élevées et peut être utilisée de manière stable sur des périodes à long terme.”

Lors des premiers tests, l'hydrogel fabriqué par Ko et ses collègues a obtenu des résultats remarquables, présentant une bonne adhésivité et une bonne stabilité dans des conditions humides. De plus, ils ont constaté que l’hydrogel conservait sa force de liaison même après un puissant nettoyage par ultrasons, ce qui pourrait être avantageux pour le développement de dispositifs implantables.

“Le mécanisme de cette forte liaison a été exploré par diverses analyses approfondies aux interfaces”, a déclaré Ko. “Nous pensons que nos recherches donneront de bonnes informations sur diverses applications électroniques fonctionnant dans des environnements humides.”

La récente étude menée par cette équipe de recherche pourrait bientôt ouvrir la voie au développement d’une nouvelle électronique capable de fonctionner à l’intérieur du corps humain. Ko et ses collègues ont déjà commencé à utiliser leur technique de micro-structuration pour fabriquer des composants électroniques en hydrogel souple biocompatibles.

“Dans les prochaines recherches, nous prévoyons d'identifier des applications cliniques spécifiques dans lesquelles notre électronique logicielle peut être utilisée de manière fiable”, a ajouté Ko. “De plus, l'un des grands avantages de notre procédé est sa vitesse de traitement rapide. Il permet un prototypage rapide de dispositifs en réponse à divers organes de formes différentes. Par conséquent, nous prévoyons de développer une microélectronique en hydrogel qui peut être appliquée à de petits organes nécessitant une forme. optimisation.”

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