Systèmes microfluidiques pour l'analyse de la transpiration et les soins néonatals

Dans cette interview, le professeur John Rogers parle àMa CliniqueLife Sciences de ses recherches et de son travail dans le développement d'électronique biocompatible et de systèmes microfluidiques aux propriétés de peau.

Les systèmes biologiques sont traditionnellement mous mécaniquement, mais les technologies électroniques et microfluidiques modernes sont rigides, ce qui signifie que les dispositions sont complètement différentes. L'élimination de cette inadéquation créera d'énormes opportunités dans les systèmes créés par l'homme qui peuvent être utilisés pour le diagnostic, la thérapeutique et la clinique et les soins de santé. Pouvez-vous nous parler des nouvelles opportunités que ces systèmes créés par l'homme créeront?

Il existe toutes sortes d'opportunités intéressantes et convaincantes qui pourraient résulter de la réflexion sur la façon de reformuler les types de systèmes qui constituent les fondements des appareils que vous voyez dans les gadgets grand public, donc les puces informatiques, les puces de circuits intégrés qui sont plates et rigides et planes , dans des formes plus naturellement biocompatibles – compatibles avec les surfaces molles du corps humain. Et, les circuits intégrés ne sont pas le seul type de technologie artificielle qui possède ce genre de caractéristiques physiques et de formes géométriques.

Vous voyez le même type de chose dans les appareils optoélectroniques, les technologies de type laboratoire sur puce et les systèmes microélectromécaniques. L'objectif de notre recherche, et celle d'une communauté croissante de chercheurs, est de créer de nouvelles idées en science des matériaux et en fabrication, en génie mécanique et en génie électrique qui nous permettront de reformuler ces types de technologies, sans sacrifier les performances ou les capacités, en des plates-formes aux géométries et propriétés mécaniques intrinsèquement biocompatibles et pouvant être interfacées avec les systèmes des tissus mous – la peau, le cerveau, le cœur, le système nerveux périphérique, la vessie et les reins. Et l'idée est de développer ces technologies dans un système qui peut finalement améliorer la santé humaine et prolonger la vie.

Crédit d'image: Rogers Research Group – NorthwesternUniversity

Pouvez-vous nous en dire plus sur ces systèmes électroniques et microfluidiques «biocompatibles» aux propriétés physiques proches de la peau?

Les appareils semblables à la peau que nous avons développés sont spécifiquement conçus pour s'interfacer avec la peau et pour utiliser la peau comme une fenêtre pour mesurer les paramètres d'état physiologique de qualité clinique associés aux processus naturels du corps humain. Par exemple, examiner l'activité cardiaque, l'activité respiratoire, les propriétés d'écoulement associées au sang à travers les artères et les veines proches de la surface; pour reproduire ce qui se fait à l'hôpital, mais sur des plates-formes qui peuvent être portées en continu pour la diffusion sans fil de données à l'extérieur de l'hôpital à domicile, pour développer une base fondamentale d'informations sur l'état de santé. Ces informations peuvent être utilisées avec des algorithmes d'intelligence artificielle pour évaluer le bien-être d'une personne à un moment donné et pour effectuer des évaluations prédictives des trajectoires de santé dans le temps. Ce type de modèle personnalisé et orienté numériquement pour les soins de santé, rendu possible par ces types de plateformes ressemblant à la peau, sera un moyen très puissant pour les soins de santé d'évoluer vers l'avenir pour des coûts réduits et de meilleurs résultats.

Vous avez présenté le Wallace. Conférence H. Coulter cette année au Pittcon 2020 à Chicago. De quoi avez-vous discuté dans votre exposé?

Dans cet exposé, je me concentrerai sur les systèmes interfacés avec la peau, les appareils qui fournissent non seulement cette fonctionnalité de surveillance électronique, mais ceux qui intègrent également de minuscules réseaux de microcanaux. Les microcanaux ainsi que de très petits réservoirs et valves qui sont conçus pour capturer la sueur qui est pompée à la surface de la peau à travers les glandes eccrines et les conduits conjonctifs pour la capture et l'analyse des biomarqueurs dans la sueur.

La sueur est une classe de biofluides relativement sous-explorée mais très potentiellement importante qui pourrait fournir un contenu d'information pour remplacer les prélèvements sanguins. L'idée est d'utiliser la sueur et la capacité non invasive de collecter la sueur pour effectuer des évaluations biochimiques de l'état de santé afin de compléter le type de mesures basées sur la physique que nous pouvons réaliser avec nos appareils électroniques.

L'analyse de la sueur dans la gestion des performances et de la santé d'AZoNetwork sur Vimeo.

Qu'est-ce qui a suscité votre intérêt pour les matériaux «souples»?

Mon expertise principale est dans les matériaux électroniques, et j'aime penser aux nouveaux matériaux électroniques dans le contexte de technologies avec des capacités qui vont au-delà de ce qui est actuellement pris en charge avec les types de matériaux électroniques conventionnels. Nous avons commencé dans ce domaine en pensant aux écrans flexibles, donc des écrans de type papier qui pourraient remplacer le type d'écrans à cristaux liquides et à diodes électroluminescentes organiques que vous voyez dans les appareils grand public aujourd'hui. Donc, en pensant aux systèmes de type papier fin, légers, robustes mécaniquement, capables de rouler dans le stockage lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Et cela a donc été intéressant pour nous pendant un certain temps, et cela reste un objectif majeur dans la plupart des grandes entreprises d'affichage.

Il m'est arrivé de donner une conférence à l'Université de Pennsylvanie sur ce type de technologie. Il s'est avéré que quelques neuroscientifiques curieux étaient dans le public et ils sont venus vers moi après la conférence et ont demandé si nous pouvions prendre ce genre d'appareils électroniques flexibles et les mettre sur le cerveau pour étudier l'activité électrique du cerveau. C'était la première suggestion que ces types de dispositifs pourraient être utilisés pour résoudre des problèmes importants en santé humaine et dans la recherche autour des mécanismes fondamentaux qui régissent le comportement des systèmes vivants. Cette interaction a catalysé un tout nouvel ensemble d'opportunités de recherche pour nous et c'est un domaine d'activité soutenu maintenant dans le groupe depuis 10 ans.

Quels niveaux de fonctionnalité supplémentaires offre l'électronique douce? Comment ont-ils été découverts?

L'électronique douce vous permet d'intégrer de manière intime et persistante des biocapteurs avancés, des radios, des stimulateurs, des microprocesseurs et des technologies de mémoire numérique avec le corps humain, d'une manière qui va bien au-delà de ce qui est possible avec les technologies portables conventionnelles que vous voyez sur le marché aujourd'hui. Les appareils commerciaux sont dominés par des pièces électroniques encombrantes et encombrantes, lâchement attachées au corps, généralement au poignet. Ce type d'approche technologique peut vous permettre de mesurer certains paramètres, des évaluations qualitatives de la santé et du bien-être, vous pouvez compter les pas, vous pouvez obtenir une estimation approximative de la fréquence cardiaque, mais ce sont des paramètres que les médecins ne peuvent pas facilement interpréter et agir.

Ce à quoi nous pensons, c'est la prochaine génération de technologies portables qui s'intègrent plus intimement au corps, servant presque de seconde peau qui se plastifie de manière physiquement imperceptible à la surface de votre peau actuelle. Presque comme un tatouage temporaire ou un pansement pour fournir des mesures de l'état de santé en soins intensifs afin de permettre aux médecins, à un niveau très détaillé, de suivre la progression de la santé au fil du temps, pas de manière épisodique, qui est actuellement la façon dont les mesures sont effectuées lorsqu'un le patient vient à l'hôpital ou à la clinique. Mais maintenant, je pense à ces mêmes types de mesures effectuées en continu et je pense que cela va ouvrir de nouvelles frontières pour réfléchir à la façon de gérer les conditions de santé et de promouvoir également un mode de vie sain.

Quelles sont les propriétés physiques «semblables à la peau» des systèmes électroniques et microfluidiques biocompatibles?

Nous ciblons un ensemble de propriétés physiques qui correspondent précisément à la peau elle-même. La peau s'étire quelque peu, elle peut fléchir et se plier et se froisser, elle a certaines caractéristiques thermiques, elle a tout un ensemble de propriétés, les caractéristiques de perméabilité à l'eau aussi, thermiques. Et nous essayons d'incarner ces propriétés cutanées exactes dans des appareils électroniques. Et c'est l'astuce et le centre de gravité des recherches que nous avons menées au cours de la dernière décennie. Vous pensez à un circuit intégré à base de silicium, les propriétés mécaniques sont un million de fois différentes de celles de la peau. Il y a donc un énorme gouffre et un écart. Il est parfaitement plat, il ne peut vraiment pas se conformer à une courbure naturelle et au type de texture à l'échelle sous-millimétrique associée à la peau. Nous essayons donc, au mieux de nos capacités, de prendre une collection de matériaux et de les intégrer dans un système électronique qui a le même type de fonctionnalité que vous obtenez avec une plate-forme électronique à base de silicium aujourd'hui, mais avec des propriétés mécaniques, des caractéristiques géométriques qui correspondre précisément à ceux de la peau.

L'objectif est de se développer presque comme une seconde peau qui s'interface directement et naturellement avec votre peau naturelle afin que vous puissiez porter ces appareils pendant de longues périodes sans même vous en rendre compte car ils sont adaptés à la peau. Vous n'avez pas la sensation physique qu'ils sont là. Et nous pensons que ce n'est pas seulement une commodité, c'est une caractéristique essentielle des appareils parce que s'ils ne peuvent pas être portés d'une manière confortable qui n'introduit pas d'irritation à la surface de la peau, alors personne ne portera les appareils. L'observance du patient sera trop faible.

C'est l'objectif de l'ingénierie et il s'avère qu'avec quelques idées relativement simples, nous pouvons être très proches. L'épaisseur de ces appareils est plus mince que l'épiderme, les propriétés mécaniques sont presque exactement adaptées, la masse thermique globale est presque la même, il n'y a donc pas de charge thermique.

Pourriez-vous nommer certains des principaux avantages de l'utilisation d'une électronique douce et semblable à la peau par rapport à l'utilisation d'un appareil hospitalier conventionnel?

Ce qui est utilisé dans les hôpitaux aujourd'hui, ce sont principalement des biocapteurs qui sont fixés à la surface de la peau uniquement avec des rubans adhésifs. Ils se connectent via des fils durs à des boîtiers électroniques externes qui font toute l'acquisition, le stockage et le traitement des données. Et cela fonctionne assez bien pour un patient adulte qui est dans un lit d'hôpital et qui ne bouge pas beaucoup.

Les fils, cependant, même dans ce genre de scénario, créent un inconvénient assez grave et dans de nombreux cas, ils frustrent les opérations de base en soins cliniques, les opérations chirurgicales sont confondues par la présence des fils.

L'idée est d'aller sur une plateforme qui se débarrasse des fils, donc c'est sans fil. Et les forces qui sont inévitablement transmises par les fils à l'interface entre les biocapteurs et la peau disparaissent également, nous pouvons nous en sortir avec un adhésif qui a une force d'adhérence sur la peau qui est un facteur 10 ou cent fois inférieur à celui qui est requis pour les appareils câblés. Et la conséquence de cela est que vous vous retrouvez avec une interface beaucoup plus confortable avec la peau et qui est beaucoup moins sujette à créer une irritation cutanée.

Dans le contexte de presque toutes sortes de pratiques hospitalières en termes de surveillance, ces types d'appareils en forme de peau ou de pansements représentent un avantage important, mais si vous regardez probablement le scénario le plus extrême où ces fils sont problématiques , c'est ce que vous rencontrez dans l'unité de soins intensifs néonatals.

Si vous considérez ce qui est fait avec les bébés prématurés, ils doivent être surveillés pour tous les signes vitaux, de qualité clinique 24/7, car ils sont dans un état de santé très fragile, mais leur peau est également très fragile. Ils n'adaptent pas très efficacement ces rubans adhésifs solides. Les fils ne sont pas seulement une nuisance, ils contrecarrent maintenant les mouvements naturels du bébé. Ils frustrent également la capacité des parents à interagir avec le bébé, car vous devez gérer les fils.

Une grande partie du travail que nous avons accompli jusqu'à présent se concentre sur ce cas d'utilisation en tant qu'opportunité la plus convaincante pour ce type de technologies. Nous avons fait beaucoup de travail dans les locaux de l'USIN du Lurie Children's Hospital de Chicago. Nous avons testé les appareils sur une centaine de nouveau-nés qui sont passés par l'hôpital et nous avons montré l'équivalence des mesures effectuées avec nos appareils sans fil semblables à la peau à celles déterminées avec les appareils conventionnels filaires et les boîtiers électroniques externes.

En fait, ces plateformes sont désormais déployées à grande échelle en Afrique grâce à un financement de la Fondation Gates et de la Save The Children Foundation, car dans le monde en développement, il n'y a aucune capacité de surveillance. L'idée est de dépasser les appareils filaires à l'ancienne, d'aller directement au sans fil et de fournir des capacités améliorées dans les soins de santé dans ce contexte de santé néonatale, pédiatrique, maternelle et fœtale.

Crédit d'image: Rogers Research Group – NorthwesternUniversity

Une autre application des systèmes électroniques biocompatibles est dans la recherche sur le sport et le fitness. Pourquoi la sueur est-elle un fluide corporel important à examiner?

La transpiration, dans le contexte de l'athlétisme, de la performance athlétique, de la forme physique et du bien-être général, est une sorte de fruit bas en termes de comment penser la sueur comme un biofluide, qui peut caractériser la santé car il est très clair que la perte de sueur peut conduire à déshydratation.

En fait, le maintien de performances sportives optimales nécessite une gestion optimale de l'hydratation. Si vous entrez dans un scénario d'entraînement ou que vous participez à une compétition sportive, vous voulez garder votre corps dans un état d'hydratation optimale. Ainsi, la capacité de ces dispositifs microfluidiques à interface cutanée de surveiller continuellement la perte de sueur localement – et que la mesure locale est en corrélation avec la perte de sueur du corps entier – peut informer un athlète avec précision de la quantité d'eau dont il a besoin pour boire pour reconstituer l'eau perdue le processus de transpiration.

Mais non seulement cela, nous pouvons également mesurer la concentration d'électrolytes dans la sueur – une quantité qui varie selon l'individu, son origine génétique, son origine raciale, ses habitudes alimentaires, toutes sortes de choses. Ainsi, les appareils mesurent non seulement la perte de sueur mais également la perte d'électrolyte. De cette façon, ils vous permettent de reconstituer non seulement l'eau perdue mais également les électrolytes perdus afin que vous puissiez non seulement maintenir une hydratation parfaite, mais aussi maintenir un équilibre électrolytique parfait.

Pour la compétition au plus haut niveau, quelques améliorations en pourcentage qui peuvent résulter de cette gestion de l'hydratation basée sur les données peuvent être très importantes. Nous avons un partenariat avec Gatorade, et comme vous pouvez l'imaginer, ce type de capacité touche à leur produit de base, pour distribuer ces appareils aux athlètes, athlètes professionnels et jeunes athlètes également, pour maintenir de meilleures performances et éviter des choses comme les crampes. et les blessures qui peuvent également résulter d'une mauvaise gestion de l'hydratation.

Crédit d'image: Shutterstock / oneinchpunch

La nanotechnologie est devenue un domaine de plus en plus étudié dans l'industrie des sciences, ayant également de nombreuses applications en médecine. Comment la nanotechnologie participe-t-elle à vos recherches?

La nanotechnologie est importante pour nous, mais ce n'est pas nécessairement l'objectif final. Nous utiliserons la nanotechnologie là où cela aura du sens. Nous nous concentrons sur le niveau du système et la façon dont vous pouvez réaliser des nouveautés dans les appareils et la construction peut générer des flux de données qui sont un avantage direct pour la santé ou la forme physique ou les sports.

Mais la nanotechnologie entre spécifiquement en jeu, d'une manière assez simple si vous y réfléchissez. Une tranche de silicium possède un certain ensemble de propriétés mécaniques qui sont définies par le silicium lui-même, mais aussi par la géométrie de la tranche. Il est assez épais, il fait environ un millimètre d'épaisseur, un demi-millimètre d'épaisseur environ et c'est en partie à cause de cette épaisseur que la tranche de silicium ne peut pas être pliée sans fracturer le matériau. La nanotechnologie entre alors en jeu car la réduction de l'épaisseur du silicium confère une souplesse au silicium juste du fait de la mécanique de flexion élémentaire. Donc, un 2 x 4, vous ne pouvez pas plier cela. Vous pouvez plier une feuille de papier. Ce sont les mêmes matériaux juste en raison du fait que le papier est vraiment mince par rapport au 2 x 4 que vous pouvez plier.

Les mêmes principes s'appliquent au silicium. Nous déployons le silicium sous des formes nanométriques plutôt que sous forme de plaquettes. Si vous prenez l'épaisseur d'une tranche, un demi-millimètre, et que vous la réduisez à une centaine de nanomètres, la flexibilité s'améliore d'un facteur 10¹² ou quelque chose comme ça. C'est absolument transformateur en termes de votre façon de penser le matériel. C'est ainsi que la nanotechnologie pénètre dans les systèmes qui nous intéressent, elle nous permet une route simple pour rendre un matériau comme le silicium flexible et compatible avec la peau en fin de compte.

Deuxième peau électronique dans les soins de santé de AZoNetwork sur Vimeo.

Si cette recherche continue est menée dans le domaine des systèmes électroniques et microfluidiques biocompatibles, où cela pourrait-il nous mener?

Les appareils interfacés avec la peau représentent l'opportunité la plus immédiate car ils sont peu invasifs. Il est très facile d'obtenir des approbations pour l'utilisation de ces appareils sur des patients humains. Ils peuvent facilement être supprimés si un quelconque effet indésirable se développe, même si nous ne l'avons pas vu. C'est un point de départ simple et naturel pour l'électronique bio-intégrée, comme la peau comme interface, au moins pour une utilisation chez l'homme. Cependant, nous faisons beaucoup avec les systèmes implantables, principalement dans les études sur des modèles animaux comme prédicat pour finalement passer à l'utilisation chez l'homme.

La frontière pour nous est de prendre les principes de conception que nous avons prouvés pour les dispositifs d'interface cutanée et de déployer la même technologie sur le cerveau ou le cœur pour permettre des types de fonctionnalités similaires mais dans le contexte des organes internes. La santé des organes améliorée électroniquement est la façon dont vous pouvez y penser. Les appareils qui enveloppent la surface extérieure du cœur ont donc la capacité de surveiller la fonction cardiaque de base, mais aussi la capacité de fournir un stimulus, un stimulus thérapeutique, en tant que stimulateur cardiaque de type avancé, mais distribué sur la surface extérieure du cœur. Les mêmes types de possibilités sont également présents dans le contexte des troubles cérébraux. Je pense donc que déplacer ces appareils de la peau vers les organes internes du corps est un énorme domaine d'opportunité.

Crédit d'image: Rogers Research Group – NorthwesternUniversity

Quelle est la prochaine étape de vos recherches sur l'électronique douce et semblable à la peau?

Explorer plus en profondeur la valeur et le contenu de l'information intégrés dans la sueur. La sueur n'a pas été explorée de manière aussi approfondie que le sang ou le liquide interstitiel comme un biofluide qui contient des biomarqueurs pertinents pour l'état de santé.

Il y a du travail à faire là-bas, mais la zone s'ouvre parce que nous avons maintenant des appareils microfluidiques qui nous permettent de capturer de très petites quantités immaculées de sueur qui peuvent être utilisées pour une analyse chimique très précise et une corrélation finalement avec le sang.

C'est une opportunité technologique dans les études de physiologie humaine et les questions biologiques de base sur le lien entre la transpiration et le sang. Et si vous pouvez établir ces corrélations, je pense que la sueur devient un moyen convaincant de faire une évaluation biochimique de la santé qui évite de faire un prélèvement sanguin.

Peux-tu nous dire pourquoi tu viens à Pittcon?

Il existe une incroyable collection de personnes intéressées par des sujets très similaires à ceux qui représentent les activités principales de mon propre groupe de recherche. Il y a une énorme synergie et résonance entre mes intérêts et les sujets traités chez Pittcon. C'est aussi complet. C'est une très grande réunion avec tous les experts clés et c'est donc une sorte de guichet unique pour travailler dans ce domaine. Je pense que c'est un événement fantastique et je suis allé à cette réunion plusieurs fois dans le passé.

Qu'espérez-vous réaliser cette année chez Pittcon?

Je donnerai cette conférence spéciale à Pittcon et je m'attends, comme cela arrive souvent, à pouvoir entamer des conversations et semer des domaines de collaboration. Les conférences pour moi sont couronnées de succès si je crée de nouvelles relations et rencontre de nouvelles personnes et peut-être ouvre de nouvelles opportunités de recherche.

Pourquoi des événements comme Pittcon sont-ils importants pour votre recherche mais aussi importants pour l'industrie de la chimie analytique?

L'échange d'idées est extrêmement important en tant qu'aspect catalyseur du fonctionnement de la science. Il est très important de partager des idées et des idées. Une conférence de ce type offre une excellente plate-forme pour le faire, et je pense donc que cela aide tout le monde. Il aide toute la communauté et aide la société dans un sens, car il accélère simplement les progrès de la recherche.

À propos de John Rogers

John A. Rogers est professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et génie des matériaux, de génie biomédical et de médecine à la Northwestern University, où il est également directeur du nouveau centre de bioélectronique intégrée. Ses recherches ont été récompensées par de nombreux prix, dont une bourse MacArthur (2009), le prix Lemelson-MIT (2011) et le prix Smithsonian pour l'ingéniosité américaine dans les sciences physiques (2013) – et plus récemment la médaille Benjamin Franklin du Institut Franklin (2019). Il est membre de la National Academy of Engineering, de la National Academy of Sciences, de la National Academy of Medicine et de l'American Academy of Arts and Sciences.