Textiles connectés : des électrodes cardiaques inspirées de kimonos

Les textiles connectés et intelligents ont un potentiel d’application considérable dans le domaine de la santé. Un exemple ? La prévention des risques cardiaques et le suivi des patients après un infarctus. Dans ce contexte, une équipe du département bioélectronique de Mines Saint-Étienne cherche à développer des textiles connectés pouvant servir d’électrodes médicales. Menés par Esma Ismailova, les chercheurs ont récemment mis au point une technique prometteuse pour le tracé d’électrocardiogrammes (ECG).

Et si demain, il était possible de contrôler son activité cardiaque grâce à ses vêtements ? L’équipe du département bioélectronique menée par Esma Ismailova à Mines Saint-Étienne a en tout cas fait un pas dans cette direction. Publié en septembre dernier dans Scientific Reports — une revue open source du groupe d’édition Nature — un article de ces scientifiques décrit un procédé innovant permettant de transformer une partie d’un textile en électrode. L’enjeu est de taille, car cela pourrait à terme fournir aux personnes à risque un moyen de contrôle non invasif de l’activité de leur cœur, sans fils électriques sous les vêtements et sans pastilles collées sur le corps. Pour réaliser ces textiles connectés, les chercheurs en bioélectronique ont puisé leur inspiration dans une technique ancestrale de coloration des kimonos : la méthode Yuzen. Celle-ci consiste à déposer de la pâte de riz sur le contour du motif souhaité pour réaliser un pochoir avant d’appliquer le colorant à l’intérieur. La pâte de riz est ensuite rincée à l’eau, ne laissant que la forme colorée désirée. XXI^e siècle oblige, la technique développée par l’équipe d’Esma Ismailova a légèrement gagné en complexité…

La technique de coloration japonaise Yuzen a inspiré les chercheurs de Mines Saint-Étienne pour leurs textiles connectés.

Technique Yuzen, made in Saint-Étienne

L’objectif n’étant plus de peindre un motif sur un kimono, mais de rendre une partie d’une étoffe conductrice, le colorant a été remplacé par un polymère organique conducteur : le PEDOT:PSS. Pour l’appliquer, il est avant tout nécessaire de réaliser un pochoir. Un film de polyimide est découpé au laser pour former une bordure du motif voulu qui servira d’électrode. Le périmètre ainsi défini est recouvert de PDMS liquide, un polymère hydrophobe, qui ne se mélange donc pas avec des produits aqueux. La pièce de textile est ensuite déposée sur cette double couche. Le tissu va alors absorber le PDMS (incolore), transposant le pourtour du motif recherché sur le tissu. Le film de polyimide est ensuite retiré, et le PEDOT:PSS liquide peut alors être appliqué sur le textile qui absorbera le polymère conducteur. Comme PEDOT:PSS est une substance aqueuse, elle reste confinée dans la zone délimitée par la barrière de PDMS hydrophobe. Le textile est ensuite chauffé pendant une heure pour solidifier les polymères et finaliser leur intégration dans les mailles. La zone conductrice de PEDOT:PSS « peinte » sur le tissu est ainsi prête à servir d’électrode. Grâce à la couche de PDMS restant sur le textile et entourant la zone conductrice, il est par ailleurs possible de déposer d’autres matériaux. Ainsi, les chercheurs peuvent par exemple ajouter des gels ioniques sur la partie active des électrodes afin d’améliorer le contact avec la peau.

Les électrodes textiles sont identifiables par la coloration du PEDOT:PSS sur le tissu.

Des électrodes de qualité

Un électrocardiogramme comporte 5 segments, dont un pic R caractéristique.

Si le procédé est original et permet une bonne fixation du matériau conducteur dans le tissu, il reste à savoir si les textiles connectés ainsi créés sont performants. Pour cela, les chercheurs ont comparé des électrocardiogrammes (ECG) établis chez des sujets équipés à la fois d’électrodes médicales classiques et d’électrodes textiles. Un ECG est composé de la répétition d’un motif de 5 segments nommés P, Q, R, S et T (voir image ci-contre), chacun donnant une information sur le comportement du cœur. Chez un sujet au repos, « les électrodes textiles et médicales montrent toutes deux des tracés de forme typique de l’activité cardiaque, avec des amplitudes similaires » peut-on lire dans la publication. La différence est en revanche notable lorsque le sujet est en mouvement. Dans ce cas, les électrodes médicales donnent un tracé très irrégulier, au sein duquel les segments caractéristiques sont difficilement identifiables. Les électrodes textiles présentent en revanche « des signaux plus riches, avec un pic R bien défini et un segment T visible » selon l’équipe. Autre point fort de ces électrodes : elles sont capables d’enregistrer des ECG de qualité même après avoir été portées 3 jours. Une performance qui permet des mesures d’activité sur le long terme.

À gauche : Les électrodes textiles donnent des ECG (en bleu) d’aussi bonne qualité que ceux d’électrodes classiques (en rouge) pour un patient assis.
À droite : Pour un patient en mouvement, les ECG d’électrodes textiles (bleu) sont plus précis que les ECG d’électrodes classiques (rouge).

De l’ECG à l’EEG

Riche de ces bons résultats, Esma Ismailova ne compte pas en rester là. Déjà son équipe réfléchit à d’autres applications pour ces textiles connectés médicaux. Les bonnes performances des électrodes lors du mouvement pourraient par exemple permettre de réaliser des électromyographies pour enregistrer l’activité des muscles lorsqu’ils sont sollicités. « L’électroencéphalogramme (EEG) est une autre application évidente de ces électrodes textiles » mentionnent les chercheurs, qui déjà réalisent les premiers enregistrements d’EEG dans leur laboratoire. L’engouement doit cependant être tempéré. Bien que l’équipe n’ait observé aucune irritation sur la peau des sujets, celle-ci prévient qu’il est « très important de souligner que la sensibilité de la peau varie énormément d’un sujet à l’autre ». Aujourd’hui, la toxicité du matériau n’est pas encore établie. Il faudra donc attendre des études sanitaires associées à ces textiles connectés avant d’envisager une éventuelle mise sur le marché. Reste que la viabilité de ces nouveaux matériaux pour le tracé d’ECG permet d’ouvrir la voie vers des textiles intelligents aux applications médicales, notamment en terme de prévention. En France, plus de 100 000 personnes sont victimes d’infarctus du myocarde chaque année.

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