Des scientifiques de l'Université d'État de Pennsylvanie ont développé une encre conductive qui peut être peinte directement sur la peau dans des motifs colorés personnalisés, se transformant en une électrode fonctionnelle pour la biosurveillance après séchage. Ils ont décrit leurs travaux dans un nouvel article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Comme déjà rapporté, les appareils électroniques épidermiques fixés à la peau via des tatouages temporaires (e-tatouages) existent depuis plus d'une décennie. Ces e-tatouages se connectent à la peau sans adhésifs, sont pratiquement invisibles et sont généralement fixés via un tatouage temporaire, permettant des mesures électriques (et d'autres mesures, comme la température et la déformation) à l'aide de polymères ultra-minces avec des éléments de circuit intégrés. Cependant, ils ne fonctionnent pas bien sur les surfaces courbes et/ou poilues, et ils nécessitent une conception personnalisée du placement des électrodes pour couvrir de plus grandes zones, car les biosignaux sont spatialement distribués. Les scientifiques ont donc fait preuve de créativité. Par exemple, en 2024, des chercheurs ont développé des encres conductives spéciales à base de polymères qui peuvent être imprimées sur le cuir chevelu d'une personne pour mesurer les ondes cérébrales, même si elle a des cheveux.

Larry Cheng, ingénieur en mécanique à Penn State et co-auteur du nouvel article du PNAS, travaille sur des conceptions d'électrodes pour des applications de biosurveillance depuis plus de 10 ans, y compris les EEG, ECG et EMG. L'utilisation de matériaux rigides comme les métaux permet une biosurveillance stable, mais elle est facilement délogée lorsque le porteur bouge trop, par exemple pendant l'exercice. Les hydrogels ont émergé ces dernières années comme matériaux alternatifs, car ils peuvent absorber l'eau, gonfler et s'étirer avec la peau du corps pendant le mouvement. Mais les hydrogels se dégradent assez rapidement et perdent ces avantages avec une utilisation prolongée. La transpiration ou les cheveux peuvent également réduire la précision de l'enregistrement des biosignaux, car les électrodes commerciales sont préfabriquées puis appliquées sur la peau, créant un espace d'air qui affaiblit les lectures des capteurs.

Cheng et al. ont décidé de développer leur encre conductive pour résoudre ce problème. Ils ont mélangé plusieurs types de polymères et d'additifs acides dans une solution aqueuse d'éthanol/alcool polyvinylique. Le PEDOT:PSS - alias poly(3,4-éthylènedioxythiophène):poly(styrène sulfonate) - a fourni la conductivité électrique, avec le DBSA (acide 4-dodécylbenzènesulfonique), qui a également servi de plastifiant pour donner de la flexibilité à l'encre. L'équipe a heureusement raccourci le nom abrégé de leur nouvelle encre conductive en WE-PPD. « L'encre elle-même se comporte presque comme du maquillage », a déclaré Cheng. « Elle commence presque transparente, mais vous pouvez utiliser du colorant alimentaire pour pigmenter l'encre dans les couleurs dont vous avez besoin pour peindre le design que vous avez en tête - comme un dessin animé ou Superman. Cela nous permet de personnaliser complètement le dispositif portable selon les préférences de la personne. » Parce que l'encre remplit les contours de la peau, l'électrode résultante a une connectivité cutanée très élevée, et donc un meilleur enregistrement du signal. Elle peut également être incorporée dans une texture d'argent poreuse et intégrée à des dispositifs rigides.

Les capteurs peints ont été testés en laboratoire sur des sujets humains pour surveiller l'activité cardiaque pendant la course sur tapis roulant et la musculation ; la reconnaissance des gestes pour contrôler une main robotique prothétique ; et l'activité cérébrale (EEG), surveillée à travers les cheveux, tandis qu'un co-auteur vaquait à ses activités quotidiennes. Les électrodes peintes ont pu s'étirer jusqu'à 170 % avant de se rompre, selon les auteurs, avaient une perméabilité à la vapeur d'eau beaucoup plus élevée que les films médicaux standard, et n'ont causé aucune irritation cutanée lors d'une utilisation prolongée. « Bien que nous ayons testé l'application quotidienne sur une période de 12 heures, ce n'est pas la limite pour ces électrodes », a déclaré Cheng. « Les électrodes elles-mêmes peuvent être lavées et facilement réappliquées. La grande idée derrière cela est qu'à l'avenir, vous pourriez potentiellement avoir un module de détection plus coûteux qui reste séparé du système, mais les électrodes elles-mêmes pourraient être jetables. Une seule bouteille d'encre pourrait fournir suffisamment de matériau pour peindre plusieurs électrodes. »