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Image optique d’un semi-conducteur à large bande interdite en carbure de silicium (SiC) en forme de fleur ultra-mince estampé sur un film de polyimide (PI) et placé sur une goutte d’eau. 1 crédit
Les nanomembranes électroniques flexibles sont prometteuses pour les technologies révolutionnaires d’organes sur puce, réduisant potentiellement le besoin d’expérimentation animale dans la recherche médicale.
Les ingénieurs de l’UNSW Sydney ont découvert un moyen de créer des systèmes électroniques flexibles sur des matériaux ultra-minces ressemblant à de la peau.
Le développement permet à des structures 3D extensibles entières de fonctionner comme un semi-conducteur et pourrait contribuer à réduire considérablement le besoin de tests sur des animaux en rendant plus efficace la technologie dite des organes sur puce.
En cours de route, la technologie pourrait également être utilisée dans des systèmes de surveillance de la santé portables ou des applications biomédicales implantables, comme un système pour alerter les personnes atteintes d’épilepsie d’une crise imminente.
L’équipe de recherche, dirigée par le Dr Hoang-Phuong Phan de l’École de génie mécanique et de fabrication de l’UNSW, a publié ses conclusions dans Matériaux fonctionnels avancés.
Leur nouveau procédé consiste à utiliser la lithographie – une technique qui utilise la lumière pour imprimer de minuscules motifs – pour fabriquer des semi-conducteurs à large bande interdite tels que carbure de silicium et du nitrure de gallium sur des nanomembranes très fines et flexibles sur un substrat polymère.
Technologie d’organe sur puce
Ces membranes semi-conductrices fournissent des fonctionnalités de détection, d’enregistrement et de stimulation même lorsqu’elles sont étirées et tordues dans n’importe quelle forme 3D imaginable.
Ils pourraient devenir un élément important de la technologie des organes sur puce, qui est une approche de pointe qui consiste à créer des versions miniatures d’organes humains sur de minuscules puces.
Ces puces reproduisent les fonctions et les structures des organes, permettant aux scientifiques d’étudier leur comportement et de tester les effets des médicaments ou des maladies de manière plus précise et efficace.
Et parce que la technologie des organes sur puce permet aux chercheurs d’imiter la complexité des organes humains dans des conditions de laboratoire, elle a le potentiel d’éliminer le besoin d’utiliser des animaux pour un large éventail de tests et d’expériences.
“Beaucoup de gens souhaitent passer à des tests médicaux sur des versions répliquées de cellules humaines plutôt que sur des animaux vivants pour des raisons juridiques, éthiques et morales”, déclare le Dr Phan.
“Vous pouvez développer des organes cellulaires 3D qui imitent les organes d’un corps réel, mais nous devons également développer des électrodes 3D pour aider à faciliter ce processus d’organe sur puce.”
“Notre processus permet de créer un système électronique sur une membrane qui peut être étirée dans n’importe quelle forme 3D autour de l’organe sur puce.”
Le travail est le point culminant de la collaboration interdisciplinaire et interinstitutionnelle entre l’UNSW, l’Université Griffith, l’UQ, le QUT et leurs partenaires internationaux tels que l’Université Kyung Hee, l’Université de Californie du Sud et l’Université Northwestern.
Matériau à large bande interdite pour une observation plus facile
Le conférencier UNSW Scientia, le Dr Thanh Nho Do, chercheur en chef du projet, a ajouté: “Nous utilisons un matériau à large bande interdite qui, contrairement aux matériaux semi-conducteurs traditionnels, n’absorbe pas la lumière visible. Cela signifie que lorsque les scientifiques veulent observer l’organe sur puce à travers un microscope, ils peuvent le faire, ce qui ne serait pas possible autrement.”
“Le système électronique sur la membrane permet également de collecter de nombreuses données tout en surveillant la façon dont l’organe artificiel réagit à différentes choses tout en étant testé.”
Pour cette application, les chercheurs pensent qu’il pourrait s’agir d’un produit commercial d’ici trois à cinq ans, bien qu’ils visent à poursuivre les travaux pour améliorer encore plus l’appareil et intégrer des composants supplémentaires tels que la communication sans fil.
En termes d’utilisation de la technologie dans les systèmes de surveillance de la santé portables, le Dr Phan affirme que le nouveau processus présente un potentiel intéressant pour améliorer considérablement la qualité de la surveillance, du diagnostic et de la thérapie.
L’une de ces fonctions pourrait être un manchon portable pour aider à détecter et à signaler les alertes concernant les niveaux de rayonnement UV auxquels une personne est soumise tout au long de la journée, ce qui pourrait finalement aider à réduire les cas de cancer de la peau.
“Le matériau à large bande interdite est important dans cette application car les semi-conducteurs au silicium traditionnels ont une bande interdite étroite et n’absorbent pas la lumière UV”, explique le Dr Phan.
Signaux neuronaux
L’équipe de l’UNSW propose également que son nouveau matériau puisse être développé davantage pour créer des dispositifs biomédicaux implantables où le système électrique peut surveiller et influencer les signaux neuronaux en temps réel.
Bien qu’un tel appareil ne soit probablement pas disponible avant au moins 10 ans, les chercheurs prévoient déjà d’autres tests dans le but d’aider potentiellement les personnes atteintes d’épilepsie, un trouble neurologique où des sursauts soudains et incontrôlés d’activité électrique dans le cerveau peuvent provoquer des crises. .
“Pour les personnes atteintes d’épilepsie, lorsqu’une crise est sur le point de se produire, le cerveau envoie des signaux inhabituels qui sont le déclencheur”, explique le Dr Phan.
“Si nous pouvons créer un dispositif électronique implantable capable de détecter ces schémas anormaux, il peut également être utilisé pour appliquer une stimulation électrique afin de contourner la crise.”
L’un des principaux défis à relever en ce qui concerne les dispositifs implantables est de savoir comment alimenter un tel système électronique.
Les chercheurs de l’UNSW tentent donc également de développer un système de couplage par résonance magnétique qui pourrait être intégré aux membranes électroniques 3D à large bande interdite pour transférer sans fil l’énergie à travers le corps via une antenne externe.
Plus d’information:
Thanh‐An Truong et al, Engineering Route for Stretchable, 3D Microarchitectures of Wide Bandgap Semiconductors for Biomedical Applications, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI : 10.1002/adfm.202211781
Informations sur la revue :
Matériaux fonctionnels avancés
to phys.org
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