Thèse Hydrogels Contenant des Nanométariaux Carbonés pour Capteurs Biomédicaux H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux Direction de la thèse : Emmanuel FLAHAUT ORCID 0000000183446902 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-16T23:59:59 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. Abundant literature exists, but there is still substantial room for improvement in sensor performance, as well as safety, which remains poorly assessed. Combining expertise in France [7-10] and Canada [11-13] makes it possible to propose an original control of polymer and/or hydrogel porosity as well as of the localization of carbon nanomaterials, and the preliminary results obtained from both sides also suggest an improvement in response times, in addition to detection sensitivity and material robustness. Once optimised, the proposed approach should lead to high-performance sensors which should be possible to produce at competitive cost. Development of innovative sensors in terms of performance, combining the following improvements:
- Shorter response time
- Greater robustness (number of elongation/contraction cycles)
- Higher sensitivity
- Demonstration of the role of porosity control (pore diameter, orientation) in hydrogels
- A greener chemistry using hydrogels based on polymers that are as bio-based as possible The PhD work is planned to be performed in tight collaboration between the 2 partners, including one year to be spent in Canada.
- Year 1 (Toulouse): Synthesis and characterisation of the carbon nanomaterials (CNTs, graphene oxide and reduced graphene oxide); Selection of the most promising biopolymer matrice(s) according to the literature and the expertise of both partners (FR/CA) and 1st ; preparation of a series of composite hydrogels containing different carbon nanomaterials (CNMs), characterisation, evaluation of mechanical and electrical properties. Publication of a review paper.
- Year 2 (Montréal): Development of a strategy to implement controlled porosity in the selected biopolymer(s) (size and orientation of the channels); inclusion of the carbon nanomaterials exhibiting the best dispersibility (see year 1) and first investigation of the transduction (in association with a M1 student in France). Presentation of the work at an (inter)national conference.
- Year 3 (Toulouse): Optimisation of the nanocomposites (improving the quality of dispersion of the CNMs in the hydrogel matrix), investigation of the sensing of different kinds of motions, comparison with the state of the art. Publication of the experimental results and presentation of the work at an international conference. Writing of the manuscript / PhD defense.

Nous recherchons idéalement un(e) candidat(e) avec un profil en Science des Matériaux et un intérêt à la fois pour les biomatériaux et les applications biomédicales. De bonnes aptitudes au travail en équipe et une grande curiosité scientifique à l'interface entre la chimie, les matériaux et les applications biomédicales seront considérées très favorablement.

• Travail en équipe
• Chimie