Summary
最近的两项技术 - 纹身和纺织品 - 已经在皮肤感应方面显示出有希望的结果。在这里,我们介绍了用于皮肤电生理传感的纹身和纺织电极的制造和评估方法。这些由导电聚合物制成的电子接口在舒适性和灵敏度方面优于现有标准。
Abstract
可穿戴电子设备正在成为监测身体信号的关键参与者,这些信号在身体活动跟踪过程中主要发生变化。考虑到物联网时代的兴起对远程医疗和个性化护理的兴趣日益浓厚,可穿戴传感器已将其应用领域扩展到医疗保健领域。为了确保临床相关数据的收集,这些设备需要与人体建立兼容的接口,以提供高信号质量的记录和长期操作。为此,本文提出了一种轻松制造适形薄纹身和软纺织品传感器的方法,用于在广泛的表面电生理记录中作为可穿戴有机电子设备应用。
这些传感器是通过经济高效且可扩展的皮肤电极图案化工艺开发的,使用聚(3,4-乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS),生物电子学中最受欢迎的导电聚合物,在现成的可穿戴基板上。本文介绍了通过阻抗谱表征电极的关键步骤,以研究它们与皮肤耦合时在信号转导中的表现。需要比较研究来定位新型传感器的性能与临床黄金标准的关系。为了验证制造的传感器的性能,该协议展示了如何在实验室环境中通过用户友好的便携式电子设置从不同配置执行各种生物信号记录。该方法论文将允许多项实验计划,以推进用于人体健康监测的可穿戴传感器的当前技术水平。
Introduction
通过皮肤接触电极进行无创生物电势记录,提供有关人体在健身和医疗保健中的生理状态的大量数据1。新型可穿戴生物监测设备已经从电子学的最新技术进步发展到将集成控制和通信组件缩小到便携式尺寸。智能监测设备每天遍布市场,提供多种监测功能,最终目标是提供足够的生理内容以实现医疗诊断2。因此,与人体的安全、可靠和强大的接口在开发合法的医疗保健可穿戴技术方面提出了关键挑战。纹身和纺织电极最近作为可靠和稳定的接口出现,被认为是用于可穿戴生物传感的创新,舒适的设备3,4,5。
纹身传感器是干燥和薄的界面,由于其厚度低(〜1μm),可确保无粘合剂,适形的皮肤接触。它们基于由分层结构组成的市售纹身纸套件,其允许在皮肤上释放超薄聚合物层6。分层结构还允许在传感器的制造过程中轻松处理薄聚合物层并将其转移到皮肤。最终电极是完全顺应的,佩戴者几乎无法察觉。纺织传感器是用电活性材料7从织物功能化中获得的电子设备。它们主要集成或简单地缝制在衣服上,以确保用户的舒适性,因为它们的柔软性,透气性以及与服装的明显亲和力。近十年来,纺织品和纹身电极已在表面电生理记录3,8,9中进行了评估,在耐磨性和信号质量记录中都显示出良好的结果,并在短期和长期评估中报告了高信噪比(SNR)。它们还被认为是可穿戴生化汗液分析1,10的潜在平台。
对纹身,纺织品以及一般而言,柔性薄膜技术(例如,由聚对二甲苯或不同弹性体等塑料箔制成的薄膜技术)的兴趣日益浓厚,这主要是通过与低成本和可扩展的制造方法的兼容性来促进的。丝网印刷、喷墨印刷、直接图案化、浸渍涂布、印章转移等已成功用于生产此类电子接口11。其中,喷墨打印是最先进的数字和快速原型制作技术。它主要应用于在环境条件下和各种基材上以非接触式添加剂方式对导电油墨进行图案化12.虽然已经通过贵金属油墨图案化13制造了多个可穿戴传感器,但金属薄膜在机械应力作用下会变脆并开裂。不同的研究小组采用了不同的策略来赋予金属与皮肤机械相容的特性。这些策略包括减少薄膜厚度和使用蛇纹石设计或褶皱和预拉伸基板14,15,16。柔软且本质上具有柔韧性的导电材料,如导电聚合物,在柔性生物电子器件中得到了应用。它们的聚合物柔韧性与电导率和离子导电性相结合。PEDOT:PSS是生物电子学中最常用的导电聚合物。它的特点是柔软性,生物相容性,可持续性和印刷加工性17,这使其与生物医学设备的广泛生产相容。
设备,例如连接到采集系统的平面电极,允许在健康监测中记录生物电势。人体生物电势是由电原细胞产生的电信号,通过身体传播到皮肤表面。根据电极的放置位置,可以获取与大脑电活动(EEG),肌肉(EMG),心脏(ECG)和皮肤电导率(例如,生物阻抗或电活动,EDA)相关的数据。然后评估数据的质量,以评估电极在临床应用中的可用性。高SNR定义了它们的性能18,这通常与最先进的Ag / AgCl电极记录进行比较。虽然Ag/AgCl电极也具有高SNR,但它们缺乏长期可操作性和适时的耐磨性。高质量的生物信号记录提供了与特定器官功能相关的人类健康状况的见解。因此,舒适的纹身或纺织品界面的这些好处表明了它们对长期应用的前景,这些应用可以实现现实生活中的移动健康监测,并为远程医疗的发展铺平道路19。
本文报告了如何在健康生物监测中制造和评估纹身和纺织电极。制造完成后,必须对新型电极进行表征。通常,采用电化学阻抗谱(EIS)来研究电极相对于目标界面(例如,皮肤)的传递函数的电性能。EIS用于比较多个电极的阻抗特性,并在不同条件下进行测试(例如,改变电极设计或研究长期响应)。本文展示了通过简单的设置记录表面生物信号,并报告了一种用户友好的方法来记录适用于任何需要验证皮肤生物电位记录的新型制造电极的不同类型的生物信号。
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Protocol
注意:涉及人类受试者的实验不涉及收集与个人健康状况相关的可识别私人信息,此处仅用于技术演示。对三个不同受试者的数据进行了平均。电生理学记录是从先前发表的数据6,21中提取的。
1. 喷墨印刷PEDOT:PSS电极制造
注:以下方案已用于在商用柔性基材(纹身纸6和纺织品21)上制造用于电生理学的电极。同样的方法已在很大程度上被采用在柔性基板上制造电极,例如薄塑料箔22。在所有情况下,喷墨打印机都用于PEDOT:PSS的图案化(参见材料表)。
- 电极基板预处理
- 切一块感兴趣的基材。
- 当使用纹身基材时,在印刷前用水清洗,以从纸张23中除去最上面的水溶性层。
注意:纹身纸套件还提供了用于这项工作的胶片,既可以增强纹身附着力,也可以作为钝化层。纹身纸具有分层结构(补充图S1),包括支撑纸片,水溶性聚乙烯醇(PVA)层,可释放的聚氨酯膜和最顶层的PVA层。胶片具有层状结构,由硅胶纸为载体,水性丙烯酸胶和顶部离型纸组成。
- 当使用纹身基材时,在印刷前用水清洗,以从纸张23中除去最上面的水溶性层。
- 要制造可穿戴传感器,请开始切割感兴趣的基板。将承印物放在打印机板上,用胶带粘住其边框以保持其平坦。
- 切一块感兴趣的基材。
- 印刷:PSS油墨
- 准备要打印的设计,例如圆形(直径12毫米),底部有一个矩形垫(3毫米x 7毫米),后者用于互连。
- 过滤后,用PEDOT:PSS商用墨水填充打印机墨盒(10 pl)。这是导电聚合物的水分散体。
- 在基材上打印设计。
- 当使用纹身纸和纺织品时,它们分别具有中高的表面能和吸收性能,打印的滴间距约为20μm。
- 连续或通过在各层之间应用干燥过程(110°C持续15分钟)打印多个PEDOT:PSS层,以创建均匀且连续的导电图案。
注意:这在纺织电极的情况下尤其需要,其中纺织品的3D样结构需要更多的油墨含量才能在织物内产生连续的导电路径。
- 电极在110°C下在烘箱中干燥15分钟以完成溶剂蒸发。
注意:通过一次打印多个设备(图1D)在纺织品,PET和纹身纸上获得的电极(图1A-C)现在可以存储在封闭,清洁和干燥的环境中,然后再继续下一步。
- 外部连接器制造
- 纹身电极
- 切割一块矩形的聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 基材(8 mm x 12 mm,厚度 1.3 mm)。
- 打印矩形设计(3 mm x 12 mm),在基材顶部有三个 PEDOT:PSS 层。
- 将打印的样品在110°C的烘箱中干燥15分钟。
- 将笔互连层压到纹身电极上,PEDOT:PSS矩形部件彼此相对。
- 在纹身纸胶片上切一个孔(直径11.3毫米)。将胶片的这个孔与纹身PEDOT:PSS电极的圆形感应部分对齐。将一块聚酰亚胺胶带(参见 材料表)添加到 PEN 互连的自由端。
- 纺织和塑料箔电极
- 在矩形印刷连接周围贴上一块导电胶带(例如铜带),以获得坚固而稳定的互连。
- 将弹簧针连接器插入铜带,然后将弹簧针连接到录音系统。
- 纹身电极
- 纹身电极转移
- 取下胶水衬垫。将纹身放在皮肤的所需部分。
- 弄湿背部支撑纸,使纹身保持在适当的位置。一旦背衬纸浸泡,滑动它以将其取出,只留下由可转移超薄薄膜制成的电极在皮肤上。
- 将扁平笔触点插入外部采集单元。见第1.3节。
- 纺织电极定位
- 将电极放在皮肤上。借助织物运动手镯或医用胶带,保持电极与皮肤稳定接触,以确保在运动过程中进行高质量的信号记录。
- 执行所需的表面电生理记录。记录后,用湿海绵擦拭纹身电极,将其清洗干净。
2. 使用电化学阻抗谱表征电极
- 身体测量
- 确保志愿者舒适地坐着,手臂放在桌子上休息。
注意:无需清洁皮肤或擦洗。
- 确保志愿者舒适地坐着,手臂放在桌子上休息。
- 电极放置
- 将一个电极放在皮肤上,并将其连接到EIS的工作电极传感电极(WE-S)。
- 将另一个电极与第一个电极相距3厘米,并将其连接到EIS的对电极(CE)。
- 将第三个电极放在弯头上,并将其连接到EIS的参比电极(RE)。参见 图2A ,了解三个电极的设置。
注意:连接到EIS的CE和RE的电极可以是Ag / AgCl电极,也可以由PEDOT:PSS制成,就像本研究中的WE一样。
- 开始在 EIS 恒电位仪上进行记录。在计数器和工作电极之间施加电流。测量基准电压源和检测对之间的潜在变化。
注:纹身和纺织电极与采集系统的连接可以用夹子进行,以与恒电位仪电缆形成稳定的电气连接。在每个频率下计算的输出阻抗由两个贡献组成:皮肤阻抗和皮肤电极接触阻抗。
3. 表面电生理记录
注:以下部分描述了每个目标生物信号的电极放置。一旦电极被正确放置并很好地连接到皮肤上,它们就可以连接到便携式采集系统以开始记录。本文的视频内容显示了使用市售Ag / AgCl电极和便携式电子单元进行电生理监测的示例。
- 对于心电图,采用具有两个或三个(一个用作接地)电极的可穿戴配置。将电极放置在多个身体部位(例如胸部,手腕,肋骨),最小电极间距离为6厘米,以获得可视的信号。
注意:经典位置需要在左右锁骨上放置两个电极;在这种情况下,接地电极可以放置在左髂嵴上。 - 对于肌肉电活动记录(EMG),将电极沿目标肌肉放置(例如,在二头肌或小腿上)。将接地电极放在静态位置,如相邻的骨骼。
- 对于脑电活动记录(EEG),将电极放在头部的多个位置。
注意:舒适的位置是前额和外耳周围。可能需要一个参比电极,通常在乳突骨的耳朵后面。 - 对于电生理活性测量(EDA),将两个电极放在左手掌上。当受试者休息或进行体育锻炼时进行记录。
注意:皮肤阻抗可以测量整个身体表面(例如,肋骨,背部,脚底);6 cm 的足够电极间距离可确保良好的监测。
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Representative Results
本文展示了通过喷墨打印制造舒适的皮肤接触电极以及表征它们并进行电生理学记录的方法。我们报告了PEDOT:PSS喷墨打印直接在不同基材上的制造步骤,例如织物(图1A),PEN(图1B)和纹身纸(图1C,D)以供参考。方案步骤1.2.1中提出的设计。和步骤 1.3.1.5。定义一个 1 cm2 的圆形感应区域,将电极与主要在临床中采用的最先进的 Ag/AgCl 进行比较。
为了表征电极的性能,通过三电极EIS设置测量其阻抗(图2A,B)。这种方法允许在将电极放在手臂上进行体上测量时研究皮肤电极阻抗。例如, 图2C中报告了纺织电极的代表性阻抗,其中阻抗模量在波特图中报告。纺织电极的阻抗略高于Ag /AgCl电极,后者是电生理学的黄金标准。阻抗模量的形状(图2C)表明在纺织电极的情况下电阻行为略高,而标准Ag / AgCl显示典型的电阻电容行为24。所有三种类型的电极,纹身,纺织品和薄箔,都通过EIS进行了研究,从而能够表征它们与皮肤的界面25。
通过将电极放置在不同身体部位的皮肤上,如图3所示,我们可以访问多个生物信号(例如,EEG,ECG,EMG和EDA)。通过将电极连接到适当的便携式或实验室规模的仪器,可以轻松获得生物信号记录。图3A显示了脑电图追踪 - 活动神经元群体的电活动记录。脑电波的基本组之一是α波(8-13 Hz)。α波反映了大脑在放松时的状态,可以通过要求受试者闭上眼睛来诱导26。灰色垂直虚线(图3A)标志着记录中志愿者被要求睁开眼睛的时刻。在图3B的心电图示踪中,心脏心房和心室的极化和去极化由P波,QRS波群和T波27组成的特征模式表示。在图3B中,QRS波群是可识别的,R峰显示最高幅度,并通过考虑两个连续波之间的时间来计算心率。
图3C 显示了肌电图追踪,而志愿者逐渐增加了手臂肌肉的力量。增强的肌肉活动通过电压峰值幅度的增加来量化。在肌电图示踪中,振幅从几微伏到几毫伏的尖峰,频率范围为10-1,000 Hz,反映了由运动单元动作电位驱动的肌肉纤维活动。 图3D 显示了通常由强直和相位成分组成的EDA跟踪。强直分量反映皮肤电导水平并对应于背景信号。相分量反映了受试者对特定刺激的反应,并且可以通过皮肤电导值28的变化来检测。这种追踪用于评估人类的压力水平和身体水合作用。
图 1:PEDOT:PSS 喷墨打印电极。 电极印在(A)100%棉织物,(B)PET箔和(C)临时纹身纸上。(D)在纹身纸基材上打印多个PEDOT:PSS电极时喷墨打印机的照片。简称:PET=聚对苯二甲酸乙二醇酯;PEDOT:PSS = 聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐。 请点击此处查看此图的大图。
图2:EIS测量(A)用于体上EIS测量的电极配置示意图;将工作电极放置在与对银/银Cl电极相距3厘米处;参考Ag / AgCl放在志愿者的肘部。(B)用于皮肤EIS测量的三电极设置方案。在计数器和工作电极之间施加电流,并在基准电压源和检测电极之间测量电压。(C)Ag/AgCl和PEDOT的阻抗模量:PSS-离子液体凝胶纺织电极(分别为蓝色和绿色曲线)。阻抗是通过手臂上的三电极设置来测量的。这个数字是从比哈尔邦等人21修改而来的。缩写:EIS =电化学阻抗谱;CE = 对电极;WE = 工作电极;RE = 参比电极;S = 检测电极;PEDOT:PSS = 聚(3,4-乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐。请点击此处查看此图的大图。
图3:电极体定位示意图与相应的电生理记录示踪。 (A)脑电图示踪。虚线垂直线表示从有 alpha 波的状态过渡到没有 alpha 波的状态,这与志愿者被要求睁开眼睛的时间相吻合。(B) 心电图示踪。上部峰值表示属于 QRS 波群的 R 峰。(C) 肌电图追踪。肌肉活动由电压信号表示,其振幅随着志愿者引起的肌肉活动的增加而增加。(D) EDA 跟踪。在前2秒内,信号代表强直分量,而其随后的振幅增加表示相位分量,这反映了志愿者对刺激的反应。所有录音都是在健康的志愿者身上用Ag / AgCl电极进行的。缩写:脑电图=脑电图;心电图=心电图;肌电图=肌电图;EDA = 电极活性。 请点击此处查看此图的大图。
补充图S1:纹身纸分层结构方案。 背衬纸片支撑由聚氨酯和其他聚合物混合物制成的可释放纳米膜。两个水溶性聚乙烯醇(PVA)层覆盖薄膜的两侧。 请点击此处下载此文件。
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Discussion
本文描述了一种制造可穿戴电极的简单且可扩展的过程,并演示了一种记录电生理生物信号的方法。它使用了三个可穿戴基材的例子,如纹身,纺织品和薄膜。它介绍了如何在这些基板上构建传感器,并在应用之前表征其性能。为了制造电极,我们采用了PEDOT:PSS,这是一种导电聚合物,由于其与绿色加工的相容性具有成本效益,多功能加工性,生物相容性,柔软性和可持续性,因此从金属基导体中脱颖而出29.PEDOT:现成基材上的 PSS 图案化是通过喷墨打印技术实现的,该技术允许精确控制油墨沉积,并具有设计自由度(图 1)。
喷墨打印是一种非接触式技术,允许对与传统光刻微加工工艺在化学和物理上不相容的柔性和非常规基材进行选择性功能化。与丝网印刷相比,另一种经常用于电极制造的技术是,喷墨不需要掩模,从而降低了墨水浪费和简单的定制30。喷墨技术通过多层沉积严格控制厚度(喷墨:<1 μm vs. 屏幕:>几μm)。实际上,当在纹身纸上打印时(图1D),一个PEDOT:PSS打印层(厚度为240nm±30nm)足以获得均匀的导电膜(图1C),其亚微米厚度在其rugosity31之后自然地自粘附在皮肤上。然而,当在织物上印刷时,墨水会掉落在由针织或波浪纱线产生的3D多孔结构上(图1A)。需要多层才能在涂层纤维之间实现电气连接,以受控和定制的方式使纺织品物质功能化32。
在新的和非典型的承印物上印刷时,考虑到制造过程的性能和速度之间的权衡,找到最佳的印刷层数至关重要。对于纺织电极制造,在印刷过程中必须注意保持基材的平坦性(见协议1.3节)。因此,印刷策略应考虑优化多层沉积中的印刷布局,以及在连续材料沉积中对齐的可能性。
然而,重要的是要指出这些电极及其制造的一些局限性。纺织电极可能需要凝胶电解质的额外印刷步骤。已经证明,它在降低皮肤电极接触阻抗方面起着关键作用,从而提供高质量的生物信号记录33 此外,纺织品可穿戴传感器的可洗性是设想完全集成到衣服中的一个关键方面。纺织品基材和导电聚合物油墨的物理化学性质会影响最终设备对洗涤周期的顺应性。因此,应详尽地调查上述方面,以充分评估其长期表现。
在纹身传感器制造中,一个微妙的步骤是找到纹身传感器和采集系统之间的最佳电气互连(参见协议部分1.3)。)。事实上,由于薄膜格式使纹身电极难以察觉,纹身技术已经引起了人们的兴趣。因此,当施加机械应力时,特别是对互连部分施加机械应力时,需要特别注意它们的操作。记住纹身在皮肤上的转移机制也很重要,这需要用水润湿支撑纸。虽然这种方法很简单,但水和已经转移的纹身传感器之间的任何突然接触都会使后者分层。虽然超薄纹身的一致性是可穿戴技术的一个关键优势,但对水和摩擦机械应力的脆弱性将纹身传感器的操作周期缩短到几天。
当引入一种新型电极时,EIS有助于在推进应用之前,提供与基准(Ag / AgCl电极)相比电极性能的主要评估。协议第2部分描述了直接放置在人体上的制造电极的EIS测量值,以深入了解它们如何与皮肤电耦合。三电极配置(图2A,B)通过皮肤电极接口评估信号传输能力。要研究的新型电极是连接到EIS的WE和S的电极。另外两个电极用作CE和RE。EIS在恒电位模式下进行,其中在CE和WE之间施加小(0.1 V)正弦电流(0.1-100 Hz),同时在整个RE-S耦合上测量电位变化。然后计算每个频率下的阻抗。测量的阻抗由两个贡献组成:皮肤阻抗和皮肤电极接触阻抗。
电极的电容和电阻行为由EIS图定义(图2C)。通过开发等效电路来拟合实验数据,可以了解电极如何转导生物信号以及它与皮肤建立了什么样的界面34。虽然纹身电极干燥且粘附在皮肤上,但它们的阻抗与标准凝胶化Ag / AgCl电极略有不同。皮肤和电极之间存在凝胶界面可促进信号转导并降低接触阻抗。
机械强度是可穿戴设备的另一个关键特征。纺织品PEDOT:PSS电极已被证明可以承受拉伸应力33。与印刷离子液体凝胶相结合,它们在可穿戴条件下提供与皮肤的稳定电接触和机械坚固性。拉伸性,柔软性和结构孔隙率赋予了由于与人体接触而排出汗液的能力,使这种类型的电极成为可穿戴电子设备最合适的技术。再一次,与电子系统的互连仍然很微妙。因此,这些系统可以直接沉积到织物中。
皮肤传感器的最终验证只能在受试者身上进行。皮肤传感器受受试者之间皮肤变异性以及各种动态因素和环境条件的限制,这些因素和环境条件直接影响其表现。在这里,我们已经演示了如何通过完全可移植的平台获得有意义的脑电图、心电图、肌电图和EDA示踪。电极放置对于在监测过程中获得可靠和准确的信息起着重要作用。对图3所示记录的分析可以确认电极在电生理记录中的能力,并获得有价值的身体监测结果。记录能力从极弱的神经活动(图3A)到高功率肌肉收缩(图3C)不等。
在 图3B 和 图3D中,心脏活动和律神经电反应证明了制备电极的分辨率和灵敏度。生物信号记录提供了有关用户身体健康,特定条件下的表现以及对特定内部或外部刺激的反应的有用数据,将其应用扩展到各种生物医学研究。存在多个便携式电子设备前端来获取生物信号,如ECG,EMG,EEG和EDA。例如,Intan Technologies的便携式电生理学放大器芯片RHD2216,Shimmer可穿戴设备,OT Bioelettronica的DueLite设备,高级版本的PLUX无线设备(称为Biosignal PLUX)或DIT版本(名为BITalino)。
总而言之,可以使用所提出的协议为各种健康监测应用制造多个传感器。例如,基于纹身的PEDOT:PSS多电极阵列(MEA)已成功用于面部肌电图,因为它们不会损害面部自然运动,并允许生物信号记录免于改变25,35。然而,通过在低成本、可拉伸的连裤袜基材上喷墨打印PEDOT:PSS制造了薄而可拉伸的电极,在休息和运动条件下都能获得高质量的ECG记录,对用户的不适感最小33。通过该协议,我们通过在现成的基板上绘制导电油墨的图案,获得了柔软,顺应和舒适的皮肤传感器。喷墨打印是一种低成本且可扩展的技术,从传统的微电子制造工艺中脱颖而出。该方法描述了如何获取电生理信号,其变化从弱神经活动到高功率肌肉收缩。这些信号可以获得对用户身体生理状态的见解。总体而言,我们介绍了无缝可穿戴电子设备在各种生物医学应用中的可行性的初步步骤,这些应用从健身到医疗保健监测。
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Disclosures
作者没有利益冲突需要披露。
Acknowledgments
这项工作得到了法国国家研究机构通过ANR JCJC OrgTex项目(ANR-17-CE19-0010)的支持。它还获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助,该计划根据第813863号的Marie Sklodowska-Curie赠款协议。E.I.要感谢普罗旺斯微电子中心的CMP洁净室工作人员在项目开发过程中的技术支持。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Biosignalplux - Plux wireless device for electrophysiological recordings | PLUX Wireless Biosignals S.A | EEG, ECG, EMG, EDA sensors | |
Covidien Kendal Disposable electrodes, medical grade disposable electrodes (Pregelled, 24 mm) | Covidien / Kendal (formally Tyco) ARBO electrodes | H124SG | Commercial Ag/AgCl electrodes for electrophysiology |
Dimatix inkjet printer | Fujifilm | DMP 2800 | Inkjet printer |
Laser Cutter | Universal Laser Systems | VLS 3.50, 50 W | Laser cutter to cut the glue sheet for tattoo electrodes fabrication |
NOVA | Metrohm Autolab | NOVA 2.1 | Electrochemistry software to control Autolab instruments |
OpenSignals | 2020 PLUX wireless biosignals, S.A. | Software suite for real-time biosignals visualisation, capable of direct interaction with PLUX devices | |
PEDOT:PSS inkjet printable ink | Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG | CLEVIOS Pjet 700 | |
Polyethylene naphthalene (PEN) foil | Goodfellow | thickness 1.3 μm | Used for tattoo electrodes interconnection fabrication |
Polyimide tape | 3M | Kapton tape by 3 M, thickness 50 μm | Used for tattoo electrodes interconnection fabrication |
Potentiostat | Metrohm Autolab | Autolab potentiostat B.V. | Used for EIS measurements |
Silhouette temporary tattoo paper kit | Silhouette Americ, Inc, US | Substrate for tattoo-based electrodes | |
Wowen textile 100% cotton and commercially available pantyhose | Substrate for textile-based electrodes |
References
- Kim, J., et al. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system. ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).
- Ha, M., Lim, S., Ko, H. Wearable and flexible sensors for user-interactive health-monitoring devices. Journal of Materials Chemistry B. 6 (24), 4043-4064 (2018).
- Kim, D. H., et al.
Epidermal electronics. Science. 333 (6044), 838-843 (2011). - Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).
- Windmiller, J. R., et al. Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos. Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).
- Ferrari, L. M., Ismailov, U., Badier, J. M., Greco, F., Ismailova, E. Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography. npj Flexible Electronics. 4 (1), 1-9 (2020).
- Heo, J. S., Eom, J., Kim, Y. H., Park, S. K. Recent progress of textile-based wearable electronics: A comprehensive review of materials, devices, and applications. Small. 14 (3), 1-16 (2018).
- Nigusse, A. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Tseghai, G. B., Van Langenhove, L. Wearable smart textiles for long-term electrocardiography monitoring-a review. Sensors. 21 (12), 4174 (2021).
- Wang, Y., et al. Electrically compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiology at scale. Science Advances. 6 (43), (2020).
- Fan, W., et al. Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring. Science Advances. 6 (11), (2020).
- Tseghai, G. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Fante, K. A., Van Langenhove, L. PEDOT:PSS-based conductive textiles and their applications. Sensors. 20 (7), 1-18 (2020).
- Magliulo, M., et al. Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices. Journal of Materials Chemistry C. 3 (48), 12347-12363 (2015).
- Raut, N. C., Al-Shamery, K. Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics. Journal of Materials Chemistry C. 6 (7), 1618-1641 (2018).
- Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499 (7459), 458-463 (2013).
- Kim, D. H., et al. Optimized structural designs for stretchable silicon integrated circuits. Small. 5 (24), 2841-2847 (2009).
- Yu, Y., Peng, S., Blanloeuil, P., Wu, S., Wang, C. H. Wearable temperature sensors with enhanced sensitivity by engineering microcrack morphology in PEDOT:PSS-PDMS sensors. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (32), 36578-36588 (2020).
- Martin, D. C., Malliaras, G. G. Interfacing electronic and ionic charge transport in bioelectronics. ChemElectroChem. 3 (5), 686-688 (2016).
- Inzelberg, L., Hanein, Y. Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship. Frontiers in Neuroscience. 12, 992 (2019).
- Kim, J., Campbell, A. S., de Ávila, B. E. F., Wang, J. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).
- Bihar, E., et al. Fully inkjet-printed, ultrathin and conformable organic photovoltaics as power source based on cross-linked PEDOT:PSS electrodes. Advanced Materials Technologies. 5 (8), 2000226 (2020).
- Bihar, E., et al. Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography. Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004 (2018).
- Seekaew, Y., et al. Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection. Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).
- Ferrari, L. M., Keller, K., Burtscher, B., Greco, F. Temporary tattoo as unconventional substrate for conformable and transferable electronics on skin and beyond. Multifunctional Materials. 3 (3), 032003 (2020).
- Searle, A., Kirkup, L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).
- Ferrari, L. M., et al. Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology. Advanced Science. 5 (3), 1700771 (2018).
- Teplan, M.
Fundamental of EEG measurement. Measurement Science Review. 2 (2), 1-11 (2002). - Pachori, R., Gupta, V. Biomedical engineering fundamentals. Intelligent Internet of Things. From Device to Fog and Cloud. Firouzi, F., Chakrabarty, K., Nassif, S. , Springer. Cham. 547-605 (2019).
- Caruelle, D., Gustafsson, A., Shams, P., Lervik-Olsen, L. The use of electrodermal activity (EDA) measurement to understand consumer emotions-A literature review and a call for action. Journal of Business Research. 104, 146-160 (2019).
- Huseynova, G., Hyun Kim, Y., Lee, J. H., Lee, J. Rising advancements in the application of PEDOT:PSS as a prosperous transparent and flexible electrode material for solution-processed organic electronics. Journal of Information Display. 21 (2), 71-91 (2020).
- Bonnassieux, Y., et al. The 2021 flexible and printed electronics roadmap. Flexible and Printed Electronics. 6, 023001 (2022).
- Nawrocki, R. A. Super- and ultrathin organic field-effect transistors: from flexibility to super- and ultraflexibility. Advanced Functional Materials. 29 (51), 1-12 (2019).
- Kim, I., Shahariar, H., Ingram, W. F., Zhou, Y., Jur, J. S. Inkjet process for conductive patterning on textiles: Maintaining inherent stretchability and breathability in knit structures. Advanced Functional Materials. 29 (7), 1807573 (2019).
- Bihar, E., et al. Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology. Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251 (2017).
- Ferrari, L. M., Ismailov, U., Greco, F., Ismailova, E. Capacitive coupling of conducting polymer tattoo electrodes with the skin. Advanced Materials Interfaces. 8 (15), 2100352 (2021).
- Inzelberg, L., Rand, D., Steinberg, S., David-Pur, M., Hanein, Y. A wearable high-resolution facial electromyography for long term recordings in freely behaving humans. Scientific Reports. 8 (1), 2058 (2018).