Modelage direct de conducteurs organiques sur des textiles tricotés pendant longtemps

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15003 (2015) Citer cet article

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Les capteurs portables font l’objet d’une grande attention car ils offrent le potentiel de devenir un outil technologique clé pour les soins de santé. Pour que ce potentiel se concrétise, de nouveaux matériaux électroactifs dotés de hautes performances doivent être intégrés aux textiles. Nous présentons ici une technique simple et fiable qui permet la structuration de polymères conducteurs sur des textiles. Les électrodes fabriquées à l'aide de cette technique présentaient un contact à faible impédance avec la peau humaine, étaient capables d'enregistrer des électrocardiogrammes de haute qualité au repos et de déterminer la fréquence cardiaque même lorsque l'utilisateur était en mouvement. Ces travaux ouvrent la voie à des capteurs électrophysiologiques imperceptibles pour la surveillance de la santé humaine.

Les dispositifs de surveillance de la santé à base de textiles suscitent beaucoup d'intérêt pour les applications grand public et médicales1,2,3,4,5,6, où ils sont utilisés pour surveiller des paramètres tels que la pression artérielle7 et le rythme cardiaque5,6. Le principal avantage des textiles en tant que substrats pour les dispositifs biomédicaux réside dans le fait qu’ils établissent et maintiennent un contact conforme avec le corps humain de manière non invasive1,2,3. En effet, des chemises1,4, des gants8 et des bracelets3 équipés de capteurs ont été utilisés pour démontrer le potentiel de cette technologie. Il existe un intérêt croissant pour le développement d'électrodes d'électrocardiographie (ECG), auxquelles les textiles peuvent garantir le contact cutané conforme nécessaire pour détecter avec précision les petits signaux électrophysiologiques du cœur4,5,9,10. Les électrodes ECG portables peuvent permettre la surveillance à distance des personnes à risque, signaler l’apparition d’une maladie cardiaque et aider à surveiller l’activité physique pendant l’exercice11. Malgré le grand intérêt porté aux électrodes cutanées, la configuration de matériaux conducteurs sur des tissus extensibles a été gênée par leur nature tridimensionnelle, ce qui rend difficile l'application de processus de configuration conventionnels1,12,13,14. Le choix de la technique de transfert de motif est défini par la nature du textile et sa structure. Les fils des tissus tissés et non tissés sont entrelacés dans un réseau dense, ce qui donne des structures très plates, mais pour la plupart non extensibles15. Les fibres des textiles tricotés sont assemblées en forme de serpent qui peut être modifiée en appliquant une force mécanique au tricot en modifiant sa conception. De telles fibres en forme d'onde imitent une conception de ressort mécanique, conférant au textile une force de résistance considérable lorsque sa forme change. Généralement, le transfert direct de motifs peut être effectué sur des textiles fins tissés et non tissés, tandis que la broderie et le tricot sont utilisés pour dessiner des textiles épais et structurés.

La micro-contact, le jet d’encre et la sérigraphie peuvent être utilisées pour créer des motifs conducteurs sur les textiles16,12. Par conséquent, le transfert contrôlé d'un motif utilisant ces techniques sur des tricots épais peut être gêné. Les matériaux conducteurs doivent être enduits non seulement sur la surface de la structure tricotée mais également à l'intérieur, assurant ainsi un contact continu entre les fils lors de sa déformation mécanique. L'impression par micro-contact et à jet d'encre permet un transfert direct de motif qui s'effectue généralement sur des textiles fins puisqu'une petite quantité d'encre peut être transférée à ce moment-là. Le revêtement s'effectue uniquement sur la couche supérieure du textile, mais la conductivité du motif est maintenue même sous étirement. Dans la sérigraphie, des additifs sont utilisés pour réduire la propagation de l'encre (c'est-à-dire de la pâte d'argent) et améliorer la résolution spatiale17,18. La viscosité des encres d’impression à jet d’encre doit également être adaptée à l’imprimabilité19. Par conséquent, tant en sérigraphie qu’en impression jet d’encre, l’optimisation de l’encre a un impact négatif sur la conductivité finale.

La broderie et le tricot consistent à utiliser des fibres individuelles et à les introduire ensuite dans la structure du textile14,20,21,22. De fins fils d'acier inoxydable, de cuivre ou d'autres métaux sont utilisés pour coudre des motifs conducteurs sur des textiles par broderie. Une grande quantité de fils est nécessaire au cours de ces processus pour créer un motif. Ces techniques sont généralement largement intégrées dans les industries textiles pour créer des interconnexions entre les capteurs et les systèmes électroniques de sortie. De plus, les matériaux électroniques organiques peuvent également être appliqués par revêtement sous pression, où la fibre est recouverte en passant à travers une buse remplie d'un matériau conducteur, puis tissée ou tricotée pendant la fabrication textile. Des exemples de cette approche incluent des capteurs tactiles de grande surface14, des composants de câblage électrique13 et des transistors électrochimiques organiques15 utilisant un matériau conducteur organique tel que le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrène sulfonate) (PEDOT : PSS). Les électrodes en PEDOT:PSS ont été utilisées avec succès dans des applications cutanées, soulignant leurs hautes performances par rapport aux électrodes commerciales. Avec une biocompatibilité prouvée, le matériau a été utilisé dans des études in vivo et il a été démontré qu'il diminuait l'impédance électrique par rapport aux électrodes classiques23. Plus important encore, ce polymère disponible dans le commerce peut être facilement modifié sans compromettre son aspect pratique. Les propriétés rhéologiques du PEDOT le rendent attractif pour une intégration directe avec les textiles. Un défi majeur pour l’élaboration de dispositifs biomédicaux sur textiles est donc le développement de techniques de structuration simples permettant le dépôt de matériaux conducteurs biocompatibles uniquement sur une zone souhaitée, sans nécessiter de découpe ni de couture ni d’additifs affectant la conductivité.