Capteurs flexibles pour la santé et bioanalyse

On a de plus en plus besoin de capteurs de santé capables de recueillir des données sur de longues périodes de temps. L'acquisition de telles données sur ou à proximité d'organismes vivants pose des défis particuliers. Le capteur doit fonctionner de manière fiable dans des conditions complexes et variables. La plupart des capteurs utilisés aujourd'hui sont encombrants et ont besoin d'une connectivité complexe pour extraire les informations des capteurs.

A l'avenir, ces capteurs seront portables, flexibles et compatibles avec la matière organique. Pour franchir les prochaines étapes vers des (bio)capteurs flexibles, il faut résoudre un certain nombre de problèmes essentiels, qui sont de nature interdisciplinaire. Par conséquent, l'expertise de la science des matériaux, des  methods de fabricationdes matériaux, des sciences de la vie et de la technologie est nécessaire pour générer des solutions innovantes.

Les défis essentiels des capteurs flexibles pour la santé:

  • de nouveaux matériaux de détection (polymères fonctionnalisés, céramiques, etc.)
  • les nouvelles formes de matériaux (p. ex. le traitement)
  • films de détection hautement structurés (par ex. surface fonctionnelle spécifique)
  • surfaces de détection (p. ex. chimie d'affinité spécifique)
  • techniques de détection (par ex. bon marché, portable, fiable, etc.)
  • connectivité simple (par ex. électrique, optique, etc.)
  • compatibilité à long terme avec l'hôte (p. ex. biocompatibilité)

Notre approche:

  • nous relevons ces défis par le biais d'un réseau interdisciplinaire en collaboration avec des partenaires internes et externes.
  • nous nous intéressons à la recherche fondamentale et à la recherche appliquée.
  • ces connaissances interdisciplinaires nous permettent de contrôler les fonctions des matériaux pour le développement de capteurs spécifiques.

Vitrine de compétences sélectionnées:

Nous développons des capteurs physiques et chimiques avec des fibres optiques polymères, des membranes de nanofibres ou des hydrogels comme substrats. La modification du substrat avec des groupe fonctionnels sensibles (par exemple, fluorophores, chromophores), ou la simple intégration dans les textiles, permet de détecter les gaz, les liquides, les bi-molécules, les paramètres vitaux de l'organisme et les micro-organismes. La détection se fait par des changements d'intensité lumineuse, de longueur d'onde et/ou d'intensité fluorescente.

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Image: Boesel, Luciano Luciano.Boesel@empa.ch

Pour étudier l'adsorption de macromolécules sur une surface, par exemple l'adsorption de protéines, nous avons développé un capteur optique qui mesure l'augmentation du trajet optique lorsqu'un adsorbat est formé. Le principe est basé sur la transmission de la lumière blanche à l'origine, qui est modulée par l'interférence de la couche mince. Il s'agit du capteur d'adsorption interférométrique à transmission (TInAS) (2007, Heuberger, Balmer). Récemment, nous avons commencé à explorer la combinaison de la mesure du potentiel en circuit ouvert (OCP) et du TInAS. La corrélation temporelle entre la masse adsorbée mesurée simultanément et le changement de potentiel de surface permet de mieux comprendre les changements structurels à l'interface au cours du processus d'adsorption.

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Nouvelle conception de cellule à fluide combinant TInAS en transmission et mesure de potentiel en circuit ouvert jusqu'à 8 positions simultanément. Le capteur à couche mince peut s'adapter à différentes formes d'électrodes. Dans cet exemple, seules 2 électrodes sur 8 ont été contactées. Image: Heuberger, Manfred (Manfred.Heuberger@empa.ch) Heuberger, M. and T. Balmer (2007). "The Transmission Interferometric Adsorption Sensor." Journal of Physics D: Applied Physics 40: 7245-7254.

Les nanofils de silicium compatibles CMOS (SiNWs) utilisés comme transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFETs) peuvent fonctionner comme capteurs chimiques et biochimiques. Dans ces dispositifs, le métal de grille du transistor est remplacé par la solution portant l'espèce d'analyte. Les réactions des analytes chargés avec des groupes de ligands à la surface du capteur provoquent une modification du potentiel électrique de surface au contact de la porte. Ce changement de potentiel de surface est détecté comme un décalage dans la fonction de transfert des transistors et peut être quantitativement lié au nombre d'analytes adsorbés.

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À gauche : Porte-puce avec 48 nanofils Si liés. À droite : Schéma d'un cycle de reliure montrant une réponse typique du capteur. L'association des protéines aux ligands de surface se produit lors de l'injection et la dissociation lors du passage au tampon de fonctionnement. Chiffres: Transport at Nanoscale Interfaces Laboratory. Wipf, M., Stoop, R.L., Navarra, G., Rabbani, S., Ernst, B., Bedner, K., Schönenberger, C., Calame, M. (2016). Label-Free FimH protein interaction analysis using silicon nanoribbon bioFETs. ACS Sensors 1 (6), 781-788. http://doi.org/10.1021/acssensors.6b00089