Separating Motion Artifacts from Biomarker Signals in Flexible MoS2 FET Cortisol Sensors: A Coupled Multiphysics Model and Finite-Element Analysis of Strain-Binding Cross-Talk and Mitigation Strategies
Cet article présente un modèle multiphysique couplé et une analyse par éléments finis pour quantifier et évaluer les stratégies d'atténuation des artefacts induits par le mouvement dans les capteurs de cortisol à base de FET en MoS2 flexibles, révélant que si la soustraction par capteurs jumeaux et l'amincissement du substrat réduisent la diaphonie entre déformation et liaison, les conceptions actuelles peinent à atteindre systématiquement la cible de précision de 1 ng/mL en raison des effets persistants de contact Schottky et des limitations dépendantes de l'aptamère.
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Le corps humain est une source constante de signaux chimiques, et l'un des plus importants est le cortisol, une hormone libérée lors du stress. Mesurer le cortisol dans la sueur offre un moyen de surveiller les niveaux de stress sans aiguilles ni prélèvements sanguins, ce qui pourrait mener à des dispositifs portables capables de suivre notre bien-être en temps réel. Pour ce faire, les scientifiques se tournent vers des capteurs fabriqués à partir de disulfure de molybdène, un matériau si mince qu'il ne fait que quelques atomes d'épaisseur. Cette finesse extrême rend le capteur incroyablement sensible aux changements chimiques, lui permettant de détecter de minuscules quantités d'hormones. Cependant, cette même finesse crée un problème majeur : le matériau est également très sensible à l'étirement et à la flexion physique. Lorsqu'une personne bouge le bras ou marche, le capteur se plie, et cette contrainte physique modifie le signal électrique tout autant que l'hormone elle-même. Pour qu'un dispositif soit utile, il doit être capable de faire la différence entre un signal causé par un événement stressant et un signal causé par le simple fait de bouger le poignet.
Des chercheurs de l'Université de l'État de Kwara et de l'Université d'Olabisi Onabanjo au Nigéria se sont mis au défi de résoudre ce puzzle spécifique. Ils ont construit un modèle informatique détaillé pour simuler le comportement d'un capteur flexible fait de disulfure de molibulène lorsqu'il est porté sur la peau. Au lieu de construire un dispositif physique et de le tester en laboratoire, ils ont créé une chaîne d'événements virtuelle qui commence par le mouvement du corps d'une personne et se termine par la lecture électrique sur le capteur. Ils ont modélisé trois mouvements courants : la flexion du poignet, la flexion du coude et la marche. Leur objectif était de voir exactement quelle part du signal électrique provient du cortisol et quelle part n'est que du « bruit » généré par le mouvement. Ils ont découvert que pour un design de capteur standard, le mouvement du poignet seul crée un faux signal qui est presque de la moitié de la taille du signal hormonal maximal que le dispositif est censé mesurer. En fait, une seule flexion du poignet pourrait faire croire au dispositif que l'utilisateur subit un stress extrême alors qu'il est en réalité au repos.
Les chercheurs ont découvert que la source de cette confusion n'est pas seulement le film mince lui-même, mais les contacts métalliques qui relient le film au reste du circuit. Lorsque le capteur se plie, les contacts métalliques changent leurs propriétés électriques de manière encore plus spectaculaire que le matériau de détection. Environ 70 % du faux signal généré par le mouvement provient de ces points de contact. Cette découverte est cruciale car elle suggère que simplement rendre le capteur plus fin ou ajouter une couche protectrice ne suffit pas à résoudre le problème. En fait, l'étude a montré que l'ajout d'une île rigide sous le capteur pour tenter de le maintenir plat n'isole pas le canal comme prévu. Sous certaines conditions de charge, l'île rigide conserve de 18 à 109 % de la déformation de base, ce qui signifie qu'elle n'offre que peu ou pas de protection. Dans d'autres conditions, où la peau dicte la forme du patch, l'île peut en fait amener le canal à subir jusqu'à 300 % de la déformation de base. Cela contredit une idée reçue dans l'électronique portable selon laquelle le durcissement d'une petite zone protège la partie sensible, montrant que ce qui fonctionne pour l'étirement ne fonctionne pas nécessairement pour la flexion.
Pour séparer le véritable signal hormonal du bruit de mouvement, l'équipe a testé plusieurs stratégies. Ils ont constaté que le simple fait de filtrer les changements rapides du signal, une technique souvent utilisée pour d'autres types de capteurs portables, ne fonctionne pas ici. C'est parce qu'une flexion d'une articulation est un mouvement lent et unidirectionnel qui ressemble beaucoup à une variation lente des taux d'hormones, de sorte qu'un filtre ne peut pas les distinguer. La solution la plus prometteuse implique l'utilisation de deux capteurs côte à côte. Un capteur est conçu pour détecter le cortisol, tandis que l'autre est un capteur « fantôme » qui ne peut pas détecter l'hormone mais subit exactement le même mouvement physique. En comparant les deux, le système peut soustraire le bruit de mouvement. Cependant, cette méthode ne fonctionne que si les deux capteurs sont parfaitement assortis et si le capteur principal est construit sur une base extrêmement fine. L'étude a montré qu'en combinant une base plastique très fine avec une paire de capteurs assortis, l'erreur pouvait être réduite à un niveau proche de la cible pour une mesure précise.
Les résultats de cette simulation fournissent une feuille de route claire pour la construction de ces dispositifs, mais ils soulignent également la difficulté de la tâche. Les chercheurs insistent sur le fait que leurs conclusions sont basées sur des modèles informatiques, et non sur des expériences physiques, de sorte que les chiffres représentent des prédictions plutôt que des preuves finales. Ils ont constaté que pour les capteurs placés sur le dos du poignet, où la flexion est fréquente et brusque, l'erreur de mouvement est si grande qu'il est presque impossible d'obtenir une lecture précise sans utiliser la méthode des capteurs jumeaux et une base ultra-fine. Pour le coude, la situation est légèrement meilleure mais reste difficile. L'étude conclut que si la technologie est très prometteuse pour la surveillance du stress, le chemin vers un dispositif portable fiable nécessite une ingénierie minutieuse de la structure physique du capteur, et non seulement de sa sensibilité chimique. Ce travail sert de guide pour les futurs inventeurs, montrant précisément où se situent les pièges et quels choix de conception sont susceptibles de réussir à séparer les signaux chimiques du corps de ses mouvements physiques.
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