Hayriye GIDIK1, 2, Elham MOHSENZADEH1, 2, Niloufar KHOMARLOO1, 2,3
1. Univ. Lille, ENSAIT, ULR 2461 – GEMTEX – Génie et Matériaux Textiles, F-59000 Lille, France
2. Junia, F-59000 Lille, France
3. Amirkabir University of Technology, Iran
Abstract
Les applications de détection de gaz utilisent couramment des nanofibres en raison de leurs propriétés physicochimiques uniques, notamment un rapport surface / volume élevé et une morphologie contrôlable [1, 2]. Les capteurs de gaz basés sur nanofibres sont un candidat prometteur pour surveiller l’haleine expirée. Cette étude ouvre une nouvelle frontière pour un diagnostic rapide, sans risque et potentiellement peu coûteux des maladies respiratoires en détectant les composés chimiques présents dans la respiration. Une partie de cette étude consiste à développer le capteur pour la détection de maladies respiratoires (plus particulièrement l’asthme) par la voie d’électrofilage. L’autre partie comprendre la chimie de la respiration expirée afin de pouvoir caractériser les capteurs développés et leur sensibilité.
Mot clés : capteur de gaz, électrofilage, nanofibres, asthme, maladie respiratoire
- Introduction
Les études médicales ont relié certains composants du souffle humain à des types spécifiques de maladies et ont abordé l’importance de l’alimentation, de la pathologie dentaire, de l’hygiène de vie, etc. sur la détermination des niveaux physiologiques de concentrations de marqueurs biologiques dans l’haleine expirée. L’inflammation et le stress oxydatif dans les poumons peuvent être surveillés en mesurant les changements de concentration d’éléments comme par exemple NO (qui a été largement étudié comme bio-marqueur) et ses produits NO2 et NO3, CO expiré (également un marqueur de maladies cardiovasculaires, diabète, …), hydrocarbures expirés de faible masse moléculaire (l’éthane, le n-pentane), … Il a également été démontré que le pH trouvé dans l’haleine est corrélé à certains constituants gazeux du souffle. Il a été démontré que le pH du condensat est directement lié à la chimie (acidité) du liquide de surface des voies respiratoires qui change avec l’augmentation du stress oxydatif (probablement dû à une inflammation neutrophile et / ou éosinophile) associée avec certaines maladies pulmonaires. Le pH moyen du condensat respiratoire expiré parmi des patients en bonne santé est de 7,7. Pour les patients atteints de maladies pulmonaires chroniques, le pH peut diminuer à 7,38 pour l’asthme, 7,14 pour la bronchectasie et 7,24 pour la maladie bronchopneumopathie chronique obstructive. Parallèlement, les chercheurs ont constaté que le pH peut être corrélé à une augmentation de la concentration de NO libéré par les cellules inflammatoires. Il a été montré qu’il y a une forte corrélation entre le pH et la concentration des NOx chez les patients asthmatiques. Les changements de concentration de NO dans la respiration humaine peuvent être directement surveillés par la détection de NO2 et NO3. Dans le cas de maladies liées à l’asthme, la concentration de NO dans l’haleine expirée peut augmenter de 0,22 ppm chez des patients sains à 0,38 ppm pour les patients asthmatiques [3]. Compte tenu des progrès des capteurs de gaz, il existe un besoin croissant de développer de nouveaux systèmes de détection avec une sensibilité et une sélectivité élevée, une faible consommation d’énergie et des temps de réponse / récupération courts. Divers matériaux de détection ont été étudiés ces dernières années pour répondre à ces exigences. Comme le principe le plus courant de détection de gaz implique l’adsorption / désorption de molécules de gaz, la sensibilité peut être considérablement améliorée en augmentant le nombre de sites actifs disponibles pour l’interaction entre le gaz détecté et le matériau de détection. Par conséquent, une grande surface (structures nanofibreuses) et des extrémités fonctionnelles disponibles (structures fonctionnelles) sont d’une grande importance dans cette application afin d’améliorer la sensibilité et la sélectivité des capteurs de gaz. Ainsi, ce projet vise à fabriquer des matériaux fibreux à base de nanofibres constituées d’une structure hybride de la composite inorganique (oxydes métalliques) et organique (polymère) en utilisant le procédé d’électrofilage.
Figure 1. Schéma du capteur envisage
Enfin, un capteur textile sera fabriqué avec une sélectivité élevée, une réponse et une récupération rapide. La sensibilité (S) de capteur est calculée grâce à l’équation : S = (Rg – Ra) / Ra dont Rg est la résistance électrique du capteur exposée au gaz cible et Ra est la résistance électrique initiale (l’air) du capteur. La concentration de gaz peut être déterminée par rapport à la conductivité électrique mesuré [4, 5]. Un algorithme sera développé pour traiter les informations détecter par les capteurs. Ce capteur peut être intégré directement dans les vêtements de patients ou des personnes soignants (blouse, masque, gant, …) pour détecter rapidement et directement la maladie respiratoire. Il peut être également utilisé comme les tiges de détection de Covid-19 d’aujourd’hui. Ainsi ce capteur pourrait être utilisé comme détecteur et générer une alarme en cas de présence de marqueur et ainsi avertir le porteur et/ou l’entourage de l’exposition. Un système intégratif couplé à ce capteur pourrait en faire un dosimètre et déterminer la charge à laquelle un individu a été exposé.
- Partenaires
Cette étude est réalisée lors d’une thèse en cotutelle entre l’Université de Lille (France) et Amirkabir University of Technology (Iran). La doctorante, Niloufar KHOMARLOO, a commencé sa thèse en Septembre 2021 en Iran. Elle arrivera en France en Juin 2022 pour 18 mois (cette période est financée par les allocations régionales).
En France, elle sera salariée de JUNIA – HEI et elle fera partie du laboratoire Génie des Matériaux TEXtiles (GEMTEX). Les premières recherches liées aux textiles intelligents ont été effectuées à la fin des années 1990, notamment au laboratoire GEMTEX, et les premiers textiles contenant des composants électroniques à base de semi-conducteurs ont été produits au début des années 2000. Depuis les années 2000 – 2005, la thématique de textile instrumenté se développe très fortement dans tous les laboratoires textiles au niveau mondial. Dr. HDR Hayriye GIDIK travaille plus particulièrement sur les capteurs textiles pour les applications médicales et bien-être [6, 7] au sein de JUNIA – HEI et laboratoire GEMTEX. Nous souhaitons combiner les expertises sur l’électrofilage et les textiles instrumentés lors de ce projet. Dr. Elham MOHSENZADEH a travaillé sur l’électrofilage de différents types de polymères (synthétiques, naturelles) pour différents types d’applications au cours de son post-doctorat, de sa thèse et de son projet de master à l’Université de Haute Alsace (UHA) au sein du Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles (LPMT) de 2013 à 2018 [1, 2]. Depuis Septembre 2018, elle travaille à JUNIA – HEI (laboratoire GEMTEX) en tant qu’enseignante-chercheuse dans le domaine du textile.
Grâce à une excellente expérience de l’Université de Technologie d’Amirkabir (AUT) d’Iran dans le domaine de la fabrication et de l’évaluation de la détection de gaz, la caractérisation des stimulations actives peut être réalisée par l’AUT en collaboration avec JUNIA – HEI. Après la phase de fabrication, les laboratoires de l’AUT complèteront la caractérisation des matériaux, modéliseront les profils de détection et caractériseront le dispositif fabriqué afin de pouvoir concevoir et optimiser le système fabriqué pour des applications de détection de gaz ciblées [4, 5].
L’asthme a été identifié en début de thèse en accord avec la Direction de la Recherche Clinique et de L’innovation (DRCI) du Groupement des Hôpitaux de l’Institut Catholique de Lille (GHICL) comme maladie candidate témoin, notamment pour les essais cliniques et leur potentiels mises en œuvre.
- Les objectifs visés, les résultats escomptés
Les capteurs de gaz sont actuellement largement utilisés dans les maisons, les smart cities, les usines, les laboratoires, les hôpitaux et presque toutes les installations. Aujourd’hui, les capteurs de gaz les plus courants sont les capteurs de gaz à ondes acoustiques de surface, optiques, catalytiques, électrochimiques, micro-ondes et à base d’oxydes métalliques. Les capteurs de gaz à base d’oxyde métallique semi-conducteur sont le type de capteur de gaz le plus largement utilisé en raison de leur forte réponse, de leur grande stabilité et de leur faible coût. Actuellement, SnO2, WO3 et ZnO sont les oxydes métalliques les plus largement étudiés pour les applications de détection de gaz en raison de leur grande sensibilité aux différents gaz et de leur grande stabilité. Néanmoins, le principal problème associé à ces oxydes métalliques est leur mauvaise sélectivité. Par conséquent, de nombreuses stratégies ont été proposées pour améliorer la sélectivité et les performances de détection des capteurs de gaz. Les approches les plus courantes comprennent l’utilisation de nanomatériaux à grande surface, l’ajout de dopants tels que Fe, Co et Cu, la fonctionnalisation avec des métaux nobles tels que Ag, Au, Pt et Pd, la modification des propriétés électriques des oxydes métalliques [8 – 10]. Bien que les techniques susmentionnées soient efficaces pour atteindre la sélectivité dans les capteurs de gaz à base d’oxyde métallique, la sensibilité et la sélectivité des capteurs de gaz à oxyde métallique par ces procédés sont insuffisantes pour toutes les applications, en particulier lorsque les gaz interférents ont des compositions similaires ou que la concentration de gaz est inférieure au ppm. En conséquence, une combinaison de ces approches est utilisée pour la fabrication de capteurs de gaz à haute performance et à structure hybride (la composite inorganique (oxydes métalliques) et organique (polymère)). Parmi les différentes stratégies, l’électrofilage est une voie simple, polyvalente et peu coûteuse pour produire différents types d’oxydes métalliques nanocristallins avec une morphologie fibreuse hautement poreuse. L’électrofilage (plus couramment appelé electrospinning) permet de fabriquer des membranes polymères nontissés (synthétiques ou biosourcés) dont le diamètre varie de quelques nanomètres à quelques micromètres. Le principe de cette technique est basé sur l’étirage d’un jet de solution de polymère par le biais de charges électriques. Différentes géométries de membranes peuvent être obtenues pour des applications très variées. Cette thèse se concentre sur le développement des capteurs hybrides en polymères par la voie d’électrofilage pour des diagnostics médicaux avancés.
4. References
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