Hydrogels contenant des nanométariaux carbonés pour capteurs biomédicaux

Alors que les composites à base de nanomatériaux carbonés (NMC) promettent de transformer notre façon de surveiller la santé au quotidien, le passage du laboratoire au textile lavable et durable reste l'un des défis majeurs de l'électronique portable, un verrou que cette thèse propose de lever. Les capteurs de mouvement basés sur l'incorporation de NMC, en particulier le graphène, l'oxyde de graphène réduit (rGO) et les nanotubes de carbone (NTC), sont une plateforme de référence pour la surveillance biomécanique portable. Leurs principaux atouts sont leur forte conductivité, faible masse, grande flexibilité et fonctionnalisation aisée, permettant la détection de signaux très faibles (pouls, respiration, vibrations de la parole) jusqu'aux mouvements plus amples (doigts, membres). Les architectures les plus performantes sont des composites hybrides - notamment graphène/NTC ou graphène/polymère/textile - qui offrent le meilleur compromis entre sensibilité, durabilité et confort. Les performances dépendent fortement de la structure du matériau (géométrie, dispersion des NMC, microstructuration), qui influence directement sensibilité, plage de déformation et temps de réponse [1-3]. Pour le suivi cardiorespiratoire, les e-textiles graphène/NTC présentent les meilleurs résultats, combinant forte sensibilité, excellente durabilité et détection fiable de signaux faibles. Leur succès illustre la pertinence des réseaux percolants pour capter des déformations subtiles, là où les matériaux classiques souffrent souvent de bruit, d'hystérésis et de fatigue [1-3]. L'intégration du graphène dans des matrices PDMS (silicone) ou textiles s'est également révélée très efficace. Les capteurs graphène-PDMS et textiles recouverts de graphène présentent une détection fiable en temps réel, une bonne extensibilité et une stabilité au cyclage. Les films NTC-PDMS ont une sensibilité élevée sur une large plage de déformation et une réponse rapide, tandis que les composites NTC-polymère ou NTC-textile constituent des plateformes robustes et extensibles. Plusieurs défis restent persistent : lavabilité, dérive du signal, reproductibilité des procédés de fabrication et passage à l'échelle industrielle [1,3-6]. L'état de l'art montre que les capteurs portables les plus performants sont des composites hybrides graphène/CNT intégrés dans des matrices textiles ou polymères, souvent micro/nanostructurées pour maximiser la réponse piézorésistive. Les applications les plus abouties concernent le suivi cardiorespiratoire, la surveillance des mouvements articulaires, la détection de gestes fins et les systèmes de santé portables. Les progrès dépendront de la standardisation des performances et de l'amélioration de la robustesse en conditions réelles. L'emploi de biopolymères ouvre également une voie vers une chimie des capteurs plus verte et plus durable [1-3], offrant à cette thèse l'opportunité de concevoir des dispositifs à la fois performants, lavables et respectueux de l'environnement. La combinaison des expertises Française au CIRIMAT (synthèse de différents NMC permettant de comparer l'influence de la morphologie et de la chimie de surface) avec les nanocomposites à base de biopolymères/hydrogels, et Canadienne (hydrogels et matrices polymères, morphologie et porosité contrôlées (conception de canaux)), permet d'explorer des architectures très originales pour des applications à la surveillance de mouvements (cardiaques, respiratoires, flexions), pour améliorer à la fois sensibilité, durabilité (cycles répétés) et temps de réponse. Les principaux défis concernent le maintien des performances lors d'usages répétés (linéarité, sensibilité, temps de réponse) et la limitation de la dérive. La variabilité des réponses des dispositifs de laboratoire complique également les applications à grande échelle. En combinant les expertises des partenaires, nous apportons une réelle valeur ajoutée pour identifier des solutions pratiques à ces défis. École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Direction : Emmanuel FLAHAUT Financement : MSCA COFUND BEST