Technologie portable pour les applications liées à la santé

Il y a plus que des looks cool sur les vêtements de hanche pour des performances optimales: grâce à une variété de technologies intelligentes, les vêtements de haute technologie sont aujourd'hui capables d'analyser les fonctions du corps ou d'optimiser activement le microclimat. La base de ces nouveaux textiles est constituée de fibres «intelligentes» et de composites biocompatibles qui contribuent également aux innovations de la recherche biomédicale telles que les capteurs, les systèmes d'administration de médicaments ou l'ingénierie tissulaire.

Ce n'est pas seulement en été qu'il peut faire chaud pendant les activités sportives, car le sport en hiver a aussi ses pièges. Dehors, il fait un froid glacial et des vêtements isolants sont indispensables. Cependant, si vous vous déplacez beaucoup, le «AC» de votre corps entre en jeu: la peau libère des litres de sueur rafraîchissante. Afin de ne pas geler dans nos vêtements mouillés pendant nos pauses bien méritées, les chercheurs de l'Empa, en collaboration avec des partenaires industriels, ont développé une membrane électro-osmotique, qui garde les vêtements (et l'athlète) au sec et donc au chaud. La société suisse de vêtements de sport haut de gamme KJUS a intégré la technologie dans une veste de ski utilisable par un smartphone. Dans des expériences dans la chambre climatique de l'Empa, les chercheurs ont également confirmé la fonctionnalité et le confort de port de la veste avec un « effet pompe ».

Avatar avec costume et cravate

Que les vestes et les pantalons soient confortables à porter et dégagent efficacement la chaleur corporelle est désormais prévisible grâce à la modélisation virtuelle. La scientifique de l'Empa, Agnes Psikuta, et son équipe du laboratoire « Membranes biomimétiques et textiles » de Saint-Gall ont développé un logiciel qui prend en compte les caractéristiques du tissu, le physique du corps et les coussins d'air isolants entre la peau et les vêtements. «À l'aide d'un avatar anatomique personnalisable, il est possible de simuler comment un vêtement s'adapte parfaitement au corps et quels effets thermiques il a, même lorsque la personne bouge», explique Psikuta. Ainsi, la conception d'un costume peut être optimisée sur l'avatar avant qu'il ne soit cousu à partir de tissu réel.

Mais il existe également des combinaisons dont les porteurs doivent se protéger des conditions extérieures extrêmes: les vêtements de protection des pompiers doivent être isolants thermiquement, résistants au feu et à l'eau ainsi que respirants, mais en même temps ni trop lourds ni fl exibles. Les coussins d'air isolants sont donc cruciaux. Ces vêtements de protection peuvent être optimisés en laboratoire au moyen de mannequins anatomiques. «Dans des expériences de quasi-réalité, nous pouvons découvrir comment l'isolation dans une combinaison de protection change selon que le porteur vise le tuyau d'incendie sur le feu en s'agenouillant ou en rampant à genoux dans un bâtiment en feu», explique Psikuta.

Capteur de pied pour athlètes

Le mouvement est également au centre d'un « vêtement » conçu à base de bois: dans le cadre du projet D-Sense, un capteur articulaire flexible en nanocellulose est en cours de développement. Le capteur imprimé en 3D à base de ressources renouvelables est biocompatible et repose directement sur la peau. Elle est électriquement conductrice car « l'encre » nanocellulosique est associée à des nanofils d'argent lors du processus d'impression 3D. Lorsqu'il est porté comme semelle intérieure, par exemple dans la chaussure d'un athlète professionnel, le capteur mesure, entre autres, la charge, la pression et l'effet de la force, de sorte que le mouvement des articulations peut être analysé avec précision.

En raison de ses propriétés mécaniques, la nanocellulose est particulièrement bien adaptée à la création de nouveaux matériaux composites. « 

Gustav Nyström, responsable du laboratoire « Cellulose & Wood Materials » de l'Empa à Dübendorf

Le capteur multicouche est donc l'un des projets du domaine d'intervention stratégique du domaine des EPF « Advanced Manufacturing ». L'application d'un tel capteur articulaire pourrait également être utilisée à l'avenir chez les patients porteurs d'implants articulaires afin d'accompagner le processus de cicatrisation optimal.

Analyse des données pendant le sommeil

D'autres vêtements de haute technologie sont également idéaux pour une utilisation dans la médecine de pointe. Par exemple, même lorsque nous sommes apparemment immobiles, disons, lorsque nous dormons, de nombreux muscles sont actifs: le cœur bat sans cesse et la poitrine monte et descend. Mais comment le cœur bat-il pendant le sommeil? Et notre respiration s'arrête-t-elle ou coule-t-elle calmement et régulièrement dans la nuit? Les chercheurs de l'Empa ont développé une ceinture cardio qui, grâce à des électrodes brodées, peut enregistrer l'activité cardiaque tout au long de la nuit. À l'aide de l'installation de revêtement au plasma Empa, des couches métalliques minces ont été appliquées sur les fils, les rendant conducteurs, doux pour la peau et lavables. L'appareil de mesure fl exible est utilisé, par exemple, pour les personnes qui souffrent d'un arrêt respiratoire pendant le sommeil, ce qu'on appelle l'apnée du sommeil. D'autres applications cliniques de la ceinture de détection sont en cours de développement avec des partenaires de l'industrie et du secteur médical. Par exemple, la ceinture ECG – complétée par une technologie de capteur pour mesurer la température corporelle – est destinée à soutenir le diagnostic de démence comme la maladie d'Alzheimer, car la mesure à long terme des paramètres vitaux peut fournir des informations sur les performances cognitives.

En collaboration avec des chercheurs de l'Université de Haute-Alsace à Mulhouse, les chercheurs de l'Empa travaillent également à équiper les textiles de capteurs supplémentaires. De cette façon, la gamme d'applications en médecine et en sport et le confort de port peuvent être encore étendus. «Nous équiperons un vêtement, comme un T-shirt, de capteurs pour l'analyse de divers paramètres de santé», explique Simon Annaheim. L'élément central pour la mesure d'autres paramètres tels que la fréquence respiratoire ou la saturation en oxygène sont des fibres de polymère optique produites par filage à l'état fondu.

Camouflage pour pompes cardiaques artificielles

La micro-conception des fibres textiles pouvant être contrôlée avec précision par différents procédés de filage, les chercheurs de l'Empa développent également des membranes qui ressemblent à des tissus biologiques. Par exemple, les membranes en polymère constituées de fibres cœur-gaine hautement élastiques sont colonisées avec des cellules humaines afin qu'un tissu fonctionnel multicouche puisse se développer. Cette recherche s'inscrit dans le cadre du projet « Zurich Heart », sur lequel l'Empa travaille en collaboration avec l'Université de Zurich, l'ETH Zurich et le Zurich University Hospital. Les membranes « vivantes » sont destinées à tapisser la surface intérieure des pompes cardiaques artificielles en tant que « camouflage », afin que le corps puisse mieux tolérer l'appareil et éviter les dysfonctionnements.

Détectives bactériens

Les fibres de polymère peuvent également être transformées en capteurs pour détecter les substances volatiles dans notre respiration. L'équipe de Luciano Boesel utilise la technologie d'électrofilature pour produire des membranes polymères multicouches conçues pour «flairer» certains gaz dans l'haleine humaine. « Les amines volatiles se forment lors d'infections bactériennes telles que la pneumonie ou l'insuffisance rénale chronique », explique Boesel. Son équipe développe actuellement un capteur d'amine hautement sensible qui détectera les traces de différentes amines dans l'haleine afin de diagnostiquer les maladies le plus tôt et de manière non invasive possible.

Médicaments à porter

Les fibres textiles peuvent également être utilisées sous la forme de pansements « intelligents » pour indiquer un processus de cicatrisation perturbé dans des plaies complexes à un stade précoce. De plus, ils peuvent libérer des substances telles que des antibiotiques, des analgésiques ou des remèdes naturels. Pour garantir une posologie précise de ces principes actifs, les chercheurs ont mis au point un mécanisme de contrôle délicat: une légère pression sur le pansement ou un signal lumineux contrôle la libération du médicament. Les stimuli chimiques du patient, tels que la modification du pH d'une plaie, peuvent également déclencher l'administration de médicaments.

Nanobags pour ingrédients actifs

Amin Sadeghpour explore encore plus profondément la micro et la nanostructure de nos vêtements. Il construit de minuscules nanocubes qui ressemblent à une membrane cellulaire. Avec une longueur latérale d'environ 10 nanomètres, les cubes ne contiennent que les plus petites quantités d'ingrédients actifs. Cependant, grâce à leur construction à partir de petits tubes, il est possible de conditionner ensemble différentes substances qui ne seraient normalement pas mélangeables. C'est idéal pour combiner plusieurs médicaments ou vitamines. Les cubes biocompatibles sont regroupés dans des « nanobags », appelés cubosomes. Dans le processus d'électrofilage, ils peuvent être attachés à des fibres avec lesquelles des pansements ou des « textiles de soin » peuvent être produits. Ces nanoéléments, matériaux biocompatibles et fibres intelligentes seront à l'avenir utilisés pour produire des vêtements qui correspondent non seulement parfaitement à nos avatars, mais conduisent également à des performances optimales dans la pratique sportive et médicale.

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