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#Tendances produits
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Le plus petit biosupercondensateur fournit de l'énergie pour les applications biomédicales
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Une équipe de chercheurs de l'université de technologie de Chemnitz, de l'IFW de Dresde et de l'IPF de Dresde présente un dispositif de stockage d'énergie biocompatible pour des applications de capteurs dans les vaisseaux sanguins.
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La miniaturisation de la technologie des capteurs microélectroniques, des robots microélectroniques ou des implants intravasculaires progresse rapidement. Cependant, elle pose également des défis majeurs à la recherche. L'un des plus importants est le développement de dispositifs de stockage d'énergie minuscules mais efficaces qui permettent le fonctionnement de microsystèmes autonomes - dans des zones de plus en plus petites du corps humain par exemple. En outre, ces dispositifs de stockage d'énergie doivent être biocompatibles s'ils doivent être utilisés dans le corps. Il existe désormais un prototype qui réunit ces propriétés essentielles. Cette avancée a été réalisée par une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Oliver G. Schmidt, titulaire de la chaire de systèmes de matériaux pour la nanoélectronique à l'université de technologie de Chemnitz, initiateur du Centre pour les matériaux, les architectures et l'intégration des nanomembranes (MAIN) à l'université de technologie de Chemnitz et directeur de l'Institut Leibniz de recherche sur l'état solide et les matériaux (IFW) de Dresde. L'Institut Leibniz de recherche sur les polymères de Dresde (IPF) a également participé à l'étude en tant que partenaire de coopération.
Dans le numéro actuel de Nature Communications, les chercheurs présentent les plus petits microsupercondensateurs à ce jour, qui fonctionnent déjà dans des vaisseaux sanguins (artificiels) et peuvent être utilisés comme source d'énergie pour un minuscule système de capteurs destiné à mesurer le pH.
Ce système de stockage ouvre des possibilités d'implants intravasculaires et de systèmes microrobotiques pour la biomédecine de la prochaine génération, qui pourraient fonctionner dans de petits espaces difficiles à atteindre au plus profond du corps humain. Par exemple, la détection en temps réel du pH du sang peut aider à prédire la croissance précoce d'une tumeur. "Il est extrêmement encourageant de voir comment la nouvelle microélectronique, extrêmement flexible et adaptative, fait son entrée dans le monde miniaturisé des systèmes biologiques", déclare le chef du groupe de recherche, le professeur Oliver G. Schmidt, qui se réjouit de ce succès.
La fabrication des échantillons et l'étude du biosupercondensateur ont été réalisées en grande partie au centre de recherche MAIN de l'université de technologie de Chemnitz.
"L'architecture de nos nano-bio-supercondensateurs offre la première solution potentielle à l'un des plus grands défis - de minuscules dispositifs de stockage d'énergie intégrés qui permettent le fonctionnement autonome de microsystèmes multifonctionnels", déclare le Dr Vineeth Kumar, chercheur dans l'équipe du professeur Schmidt et associé de recherche au centre de recherche MAIN.
Des dispositifs de stockage d'énergie toujours plus petits dans la gamme submillimétrique - appelés "nano-supercondensateurs" (nBSC) - pour des composants microélectroniques encore plus petits ne constituent cependant pas seulement un défi technique majeur. En effet, en règle générale, ces supercondensateurs n'utilisent pas de matériaux biocompatibles mais, par exemple, des électrolytes corrosifs et se déchargent rapidement en cas de défauts et de contamination. Ces deux aspects les rendent inadaptés aux applications biomédicales dans le corps. Les "biosupercondensateurs (BSC)" offrent une solution. Ils présentent deux propriétés exceptionnelles : ils sont entièrement biocompatibles, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés dans des fluides corporels tels que le sang et qu'ils peuvent être utilisés pour des études médicales ultérieures.
En outre, les biosupercondensateurs peuvent compenser le comportement d'autodécharge par des réactions bioélectrochimiques. Ce faisant, ils bénéficient même des propres réactions du corps. En effet, en plus des réactions typiques de stockage de charge d'un supercondensateur, les réactions enzymatiques redox et les cellules vivantes naturellement présentes dans le sang augmentent les performances du dispositif de 40 %.
Actuellement, les plus petits dispositifs de stockage d'énergie de ce type ont une taille supérieure à 3 mm3. L'équipe du professeur Oliver Schmidt est maintenant parvenue à produire un nBSC tubulaire 3 000 fois plus petit qui, avec un volume de 0,001 mm3 (1 nanolitre), occupe moins d'espace qu'un grain de poussière et délivre pourtant une tension d'alimentation allant jusqu'à 1,6 V pour les capteurs microélectroniques. Cette énergie peut être utilisée pour un système de capteurs dans le sang, par exemple. Le niveau de puissance est également à peu près équivalent à la tension d'une pile AAA standard, bien que le flux de courant réel à ces plus petites échelles soit bien sûr nettement inférieur. La géométrie tubulaire flexible du nano-biosupercondensateur assure une autoprotection efficace contre les déformations causées par la pulsation du sang ou la contraction musculaire. À pleine capacité, le nano-biosupercondensateur présenté peut faire fonctionner un système complexe de capteurs entièrement intégrés pour mesurer la valeur du pH dans le sang.
La technologie de la structure en origami consiste à placer les matériaux nécessaires aux composants du nBSC sur une surface mince sous une forte tension mécanique. Lorsque les couches de matériaux sont ensuite détachées de la surface de manière contrôlée, l'énergie de tension est libérée et les couches s'enroulent d'elles-mêmes en dispositifs 3D compacts avec une précision et un rendement élevés (95 %). Les nano-biosupercondensateurs ainsi produits ont été testés dans trois solutions appelées électrolytes : La solution saline, le plasma sanguin et le sang. Dans ces trois électrolytes, le stockage d'énergie a été suffisamment réussi, bien qu'avec une efficacité variable. Dans le sang, le nano-biosupercondensateur a montré une excellente durée de vie, conservant jusqu'à 70 % de sa capacité initiale même après 16 heures. Un séparateur d'échange de protons (PES) a été utilisé pour supprimer l'autodécharge rapide.
Afin de maintenir les fonctions naturelles du corps dans différentes situations, les caractéristiques du flux sanguin et la pression dans les vaisseaux sont en constante évolution. Le flux sanguin est pulsé et varie en fonction du diamètre des vaisseaux et de la pression sanguine. Tout système implantable dans le système circulatoire doit résister à ces conditions physiologiques tout en maintenant des performances stables.
L'équipe a donc étudié les performances de son développement - similaire à une soufflerie - dans des canaux dits microfluidiques d'un diamètre de 120 à 150 µm (0,12 à 0,15 mm) pour imiter des vaisseaux sanguins de différentes tailles. Dans ces canaux, les chercheurs ont simulé et testé le comportement de leurs dispositifs de stockage d'énergie dans différentes conditions d'écoulement et de pression. Ils ont constaté que les nano-supercondensateurs peuvent fournir leur énergie de manière stable et efficace dans des conditions physiologiques pertinentes.
Le potentiel hydrogène (pH) du sang est sujet à des fluctuations. La mesure en continu du pH peut donc aider à la détection précoce de tumeurs, par exemple. À cette fin, les chercheurs ont développé un capteur de pH qui est alimenté en énergie par le nano-biosupercondensateur.
La technologie des transistors à couche mince (TFT) de 5 µm, précédemment établie dans l'équipe de recherche du Prof. Oliver Schmidt, a pu être utilisée pour développer un oscillateur en anneau avec une flexibilité mécanique exceptionnelle, fonctionnant à faible puissance (nW à µW) et à haute fréquence (jusqu'à 100MHz).
Pour le projet actuel, l'équipe a utilisé un oscillateur en anneau basé sur le nBSC. L'équipe a intégré un BSC sensible au pH dans l'oscillateur en anneau de sorte que la fréquence de sortie change en fonction du pH de l'électrolyte. Cet oscillateur en anneau sensible au pH a également été formé en une géométrie 3D tubulaire à l'aide de la technique Origami "Swiss-roll", créant ainsi un système entièrement intégré et ultra-compact de stockage d'énergie et de capteur
Le noyau interne creux de ce système de microcapteurs sert de canal pour le plasma sanguin. De plus, trois nBSCs connectés en série avec le capteur permettent une mesure du pH particulièrement efficace et autosuffisante.
Ces propriétés ouvrent un large éventail d'applications possibles, par exemple dans le domaine du diagnostic et de la médication.