Des chercheurs de l’université de Cambridge ont exploré un nouveau potentiel de l’impression 3D pour la surveillance de la santé, l’Internet des objets et les applications de biodétection. Dans leurs dernières recherches, ils ont imprimé en 3D de minuscules fibres conductrices transparentes, chacune 100 fois plus fine qu’un cheveu humain, pour créer des capteurs dépassant les capacités des dispositifs conventionnels à base de film.
La technique d’impression des fibres, décrite dans la revue Science Advances, peut être utilisée pour fabriquer des capteurs respiratoires portables, sans contact et portables. Ces capteurs imprimés sont très sensibles, peu coûteux et peuvent être connectés à un téléphone portable pour collecter des informations sur le profil respiratoire, du son et des images en même temps.
Le premier auteur, Andy Wang, un étudiant en doctorat du département d’ingénierie de Cambridge, a utilisé le capteur à fibres pour tester la quantité d’humidité respiratoire qui s’échappe du revêtement de son visage, pour des conditions respiratoires telles qu’une respiration normale, une respiration rapide et une toux simulée. Les capteurs à fibres ont largement surpassé les capteurs commerciaux comparables, en particulier pour la surveillance de la respiration rapide, qui reproduit l’essoufflement.
Bien que le capteur à fibres n’ait pas été conçu pour détecter les particules virales, puisque les preuves scientifiques montrent de plus en plus que les particules virales telles que le coronavirus peuvent être transmises par les gouttelettes et les aérosols respiratoires, la mesure de la quantité et de la direction de l’humidité respiratoire qui s’échappe des différents types de revêtements du visage pourrait servir d’indicateur des points faibles de la protection.
L’équipe a constaté que la plupart des fuites des masques en tissu ou des masques chirurgicaux se font par l’avant, en particulier lors de la toux, tandis que la plupart des fuites des masques N95 se font par le haut et les côtés avec des raccords étanches. Néanmoins, les deux types de masques, lorsqu’ils sont portés correctement, contribuent à affaiblir le flux de l’air expiré.
« Les capteurs fabriqués à partir de petites fibres conductrices sont particulièrement utiles pour la détection volumétrique de fluides et de gaz en 3D, par rapport aux techniques conventionnelles à couche mince, mais jusqu’à présent, il a été difficile de les imprimer et de les incorporer dans les appareils, et de les fabriquer à l’échelle », a déclaré le Dr Yan Yan Shery Huang du département d’ingénierie de Cambridge, qui a dirigé les recherches.
Huang et ses collègues ont imprimé 3D les fibres composites, qui sont faites d’argent et/ou de polymères semi-conducteurs. Cette technique d’impression des fibres crée une structure de fibre âme-enveloppe, avec un noyau de fibre conductrice de haute pureté enveloppé par une fine gaine polymère protectrice, similaire à la structure des fils électriques communs, mais à une échelle de quelques micromètres de diamètre.
En plus des capteurs respiratoires, la technique d’impression peut également être utilisée pour fabriquer des fibres biocompatibles de dimensions similaires à celles des cellules biologiques, ce qui leur permet de guider les mouvements des cellules et de « sentir » ce processus dynamique sous forme de signaux électriques. En outre, les fibres sont si minuscules qu’elles sont invisibles à l’œil nu. Ainsi, lorsqu’elles sont utilisées pour connecter de petits éléments électroniques en 3D, il semblerait que l’électronique « flotte » dans l’air.
« Nos capteurs à fibres sont légers, bon marché, petits et faciles à utiliser. Ils pourraient donc être transformés en appareils de test à domicile pour permettre au grand public d’effectuer des tests auto-administrés afin d’obtenir des informations sur leur environnement », a déclaré M. Huang.
L’équipe cherche à développer cette technique d’impression par fibre pour un certain nombre de capteurs multifonctionnels, qui pourraient potentiellement détecter davantage d’espèces respiratoires pour la surveillance mobile de la santé, ou pour des applications d’interface avec les bio-machines.
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