Les fibres cristallines ultra-élastiques de diphénylalanine dans les applications de bioélectronique portable et implantable

Contexte

Avec le développement rapide de la bioélectronique flexible, la conception de matériaux et dispositifs piézoélectriques hautement élastiques, respirants et capables de se déformer conformément au corps humain est devenue un enjeu de recherche majeur. Les céramiques piézoélectriques inorganiques traditionnelles (comme l’oxyde de zinc, le titanate de baryum et le titanate de zirconate de plomb) présentent des coefficients piézoélectriques élevés, mais leur incompatibilité mécanique avec les tissus humains limite leur utilisation pratique. Les polymères piézoélectriques organiques (comme le polyfluorure de vinylidène et l’acide polylactique) offrent une bonne biocompatibilité, mais leur effet piézoélectrique est faible et leur extensibilité limitée. Ainsi, trouver un matériau combinant une performance piézoélectrique élevée, une excellente élasticité, une respirabilité et une biocompatibilité est devenu une priorité de recherche.

Le diphénylalanine (Phenylalanine Dipeptide, FF), grâce à ses propriétés piézoélectriques et mécaniques exceptionnelles, est considéré comme un matériau idéal pour la fabrication de dispositifs portables et implantables. Cependant, la rigidité, la fragilité et la monodispersité intrinsèques des cristaux de FF limitent leur utilisation dans les dispositifs flexibles. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont développé une nouvelle stratégie d’auto-assemblage par confinement nanométrique pour créer des fibres cristallines de FF (FF-CFs), visant à combiner élasticité, flexibilité, stabilité et respirabilité.

Source de l’article

Cette recherche a été menée par Juan Ma, Lili Qian, Fei Jin, Weiying Zheng, Tong Li, Zhidong Wei, Ting Wang et Zhang-Qi Feng de l’École de chimie et génie chimique de l’Université de science et technologie de Nanjing. Elle a été publiée en 2025 dans la revue Advanced Fiber Materials (volume 7, pages 338-350). L’étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, la Fondation scientifique postdoctorale de Chine et les fonds de recherche de base des universités centrales.

Méthodologie et résultats

1. Préparation et caractérisation des fibres cristallines de FF

L’équipe de recherche a développé une stratégie d’auto-assemblage par confinement nanométrique, en combinant des cristaux de FF avec des faisceaux moléculaires orientés de styrène-butadiène-styrène (SBS) pour former une structure unique de type tenon-mortaise. Cela a permis d’obtenir des fibres cristallines de FF présentant une élasticité (≈1200 %), une flexibilité (module de Young : 0,409 ± 0,031 MPa), une piézoélectricité (d33 macroscopique : 10,025 ± 0,33 pC N⁻¹), une respirabilité et une stabilité physique. Les étapes spécifiques sont les suivantes :

• Électrofilage des fibres SBS : Une solution de SBS à 25 % en poids a été dissoute dans du 1,2-dichloroéthane, puis des fibres SBS ont été préparées par électrofilage après 4 heures de chauffage et d’agitation.
• Préparation de la solution de FF dans l’acétonitrile : 20 mg de FF ont été dissous dans 100 μl d’hexafluoroisopropanol, puis dilués dans de l’acétonitrile pour obtenir une concentration de 0,2 % w/v.
• Préparation des fibres cristallines de FF : La solution de FF dans l’acétonitrile a été combinée avec les fibres SBS par micro-infiltration et étirage pour former les fibres cristallines de FF.

2. Caractérisation des propriétés des fibres cristallines de FF

L’équipe a utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la spectroscopie de fluorescence en régime permanent/vie (PL) pour caractériser la morphologie, les groupes fonctionnels et le mécanisme d’auto-assemblage des fibres cristallines de FF. Les résultats montrent que ces fibres présentent une élasticité, une flexibilité et une stabilité physique exceptionnelles, permettant une déformation conforme à la peau humaine et une collecte haute fidélité des informations biologiques lors de diverses activités humaines.

3. Propriétés piézoélectriques des fibres cristallines de FF

Le coefficient piézoélectrique longitudinal (d33) des fibres cristallines de FF est de 10,025 ± 0,33 pC N⁻¹, supérieur à celui des matériaux piézoélectriques couramment utilisés (comme la glycine, l’acide polylactique et les fibres de collagène). L’équipe a intégré les fibres cristallines de FF avec un revêtement en alliage liquide (Ga-In) et des composants de transmission électronique sans fil pour développer un système flexible de détection des mouvements physiologiques humains. Ce système permet une détection hautement sensible des mouvements humains et des changements subtils de pression lors des battements cardiaques, de la respiration et des mouvements diaphragmatiques dans différents états physiologiques.

4. Expérimentation animale

L’équipe a implanté les capteurs à base de fibres cristallines de FF dans le cœur, les muscles thoraciques et le diaphragme de souris pour surveiller les changements de signaux dans différents états physiologiques. Les résultats expérimentaux montrent que les capteurs peuvent capter avec précision la fréquence cardiaque et les modes respiratoires, tout en démontrant une excellente biocompatibilité lors d’expériences d’implantation à long terme.

Conclusion et signification

Cette étude a réussi à préparer des fibres cristallines de FF ultra-élastiques grâce à une stratégie d’auto-assemblage par confinement nanométrique, résolvant les problèmes de rigidité, de fragilité et de monodispersité des cristaux de FF dans les applications de dispositifs flexibles. Les fibres cristallines de FF combinent une élasticité, une respirabilité et une stabilité exceptionnelles et ont été appliquées avec succès dans un système flexible de détection des mouvements physiologiques humains, permettant une détection haute fidélité des mouvements humains. De plus, les capteurs ont montré une excellente biocompatibilité et stabilité à long terme dans les expériences animales, offrant une nouvelle solution pour les dispositifs de bioélectronique portables et implantables.

Points forts de la recherche

1. Fibres cristallines de FF ultra-élastiques : Les fibres cristallines de FF préparées par auto-assemblage par confinement nanométrique peuvent atteindre une déformation à la traction de 1200 %, dépassant les limites des matériaux piézoélectriques traditionnels.
2. Système de détection haute sensibilité : Le système de détection flexible intégrant un revêtement en alliage liquide et des composants de transmission sans fil permet une détection hautement sensible des mouvements et signaux physiologiques humains.
3. Excellente biocompatibilité : Les expériences animales montrent que les capteurs à base de fibres cristallines de FF maintiennent une excellente biocompatibilité après une implantation à long terme, garantissant la sécurité des dispositifs implantables.

Autres informations utiles

L’étude propose également que les performances des dispositifs pourraient être améliorées à l’avenir par la fonctionnalisation des molécules de FF et l’optimisation du processus d’auto-assemblage. En combinant ces avancées avec des technologies d’apprentissage profond, il serait possible de réaliser des fonctions intelligentes telles que la surveillance de la santé et la reconnaissance des émotions, favorisant l’innovation dans le domaine des soins médicaux intelligents.

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Cette recherche offre non seulement de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux piézoélectriques flexibles, mais ouvre également de nouvelles voies pour le développement de dispositifs de bioélectronique portables et implantables, avec une importante valeur scientifique et des perspectives d’application pratiques.