Summary
Due recenti tecnologie – tatuaggio e tessuti – hanno dimostrato risultati promettenti nel rilevamento cutaneo. Qui presentiamo i metodi di fabbricazione e valutazione di elettrodi per tatuaggi e tessuti per il rilevamento elettrofisiologico cutaneo. Queste interfacce elettroniche realizzate in polimeri conduttivi superano gli standard esistenti in termini di comfort e sensibilità.
Abstract
I dispositivi elettronici indossabili stanno diventando attori chiave nel monitoraggio dei segnali corporei prevalentemente alterati durante il monitoraggio dell'attività fisica. Considerando il crescente interesse per la telemedicina e l'assistenza personalizzata guidato dall'ascesa dell'era dell'Internet of Things, i sensori indossabili hanno ampliato il loro campo di applicazione nell'assistenza sanitaria. Per garantire la raccolta di dati clinicamente rilevanti, questi dispositivi devono stabilire interfacce conformabili con il corpo umano per fornire registrazioni di alta qualità del segnale e funzionamento a lungo termine. A tal fine, questo documento presenta un metodo per fabbricare facilmente sensori sottili conformi a base di tatuaggi e tessuti morbidi per la loro applicazione come dispositivi elettronici organici indossabili in un ampio spettro di registrazioni elettrofisiologiche di superficie.
I sensori sono sviluppati attraverso un processo economico e scalabile di pattern di elettrodi cutanei utilizzando poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirenesolfonato) (PEDOT:PSS), il polimero conduttivo più popolare nella bioelettronica, su substrati indossabili pronti all'uso. Questo documento presenta i passaggi chiave nella caratterizzazione degli elettrodi attraverso la spettroscopia di impedenza per studiare le loro prestazioni nella trasduzione del segnale quando accoppiati con la pelle. Sono necessari studi comparativi per posizionare le prestazioni dei nuovi sensori rispetto al gold standard clinico. Per convalidare le prestazioni dei sensori fabbricati, questo protocollo mostra come eseguire varie registrazioni di biosegnali da diverse configurazioni attraverso una configurazione elettronica user-friendly e portatile in un ambiente di laboratorio. Questo documento sui metodi consentirà molteplici iniziative sperimentali per far progredire l'attuale stato dell'arte nei sensori indossabili per il monitoraggio della salute del corpo umano.
Introduction
La registrazione biopotenziale non invasiva viene eseguita attraverso elettrodi a contatto con la pelle, fornendo una grande quantità di dati sullo stato fisiologico del corpo umano in fitness e assistenza sanitaria1. Nuovi tipi di dispositivi di biomonitoraggio indossabili sono stati sviluppati dagli ultimi progressi tecnologici nell'elettronica attraverso il downscaling di componenti di controllo e comunicazione integrati a dimensioni portatili. I dispositivi di monitoraggio intelligenti pervadono quotidianamente il mercato, offrendo molteplici funzionalità di monitoraggio con l'obiettivo finale di fornire contenuti fisiologici sufficienti per consentire la diagnostica medica2. Pertanto, interfacce sicure, affidabili e robuste con il corpo umano presentano sfide critiche nello sviluppo di tecnologie indossabili legittime per l'assistenza sanitaria. Gli elettrodi per tatuaggi e tessuti sono recentemente apparsi come interfacce affidabili e stabili percepite come dispositivi innovativi e confortevoli per il biorilevamento indossabile 3,4,5.
I sensori per tatuaggi sono interfacce secche e sottili che, grazie al loro basso spessore (~1 μm), garantiscono un contatto cutaneo privo di adesivi e conformabile. Si basano su un kit di carta per tatuaggi disponibile in commercio composto da una struttura a strati, che consente il rilascio di uno strato polimerico ultrasottile sulla pelle6. La struttura stratificata consente inoltre una facile manipolazione del sottile strato polimerico durante il processo di fabbricazione del sensore e il suo trasferimento sulla pelle. L'elettrodo finale è completamente conformabile e quasi impercettibile per chi lo indossa. I sensori tessili sono dispositivi elettronici ottenuti dalla funzionalizzazione del tessuto con materiali elettroattivi7. Sono principalmente integrati o semplicemente cuciti negli abiti per garantire il comfort dell'utente grazie alla loro morbidezza, traspirabilità ed evidente affinità con i capi. Per quasi un decennio, gli elettrodi tessili e per tatuaggi sono stati valutati nelle registrazioni elettrofisiologiche di superficie 3,8,9, mostrando buoni risultati sia nella vestibilità che nelle registrazioni di qualità del segnale e riportando un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) in valutazioni a breve e lungo termine. Sono anche concepiti come una potenziale piattaforma per l'analisi biochimica del sudore indossabile 1,10.
Il crescente interesse per le tecnologie del tatuaggio, del tessile e, in generale, del film sottile flessibile (ad esempio, quelle realizzate con fogli di plastica come il parilene o diversi elastomeri) è principalmente promosso dalla compatibilità con metodi di fabbricazione a basso costo e scalabili. La serigrafia, la stampa a getto d'inchiostro, la modellazione diretta, il rivestimento a immersione e il trasferimento di timbri sono stati adottati con successo per produrre tali tipi di interfacce elettroniche11. Tra queste, la stampa a getto d'inchiostro è la tecnica di prototipazione digitale e veloce più avanzata. Si applica principalmente alla modellazione di inchiostri conduttivi in modo additivo senza contatto in condizioni ambientali e su una grande varietà di substrati12. Sebbene più sensori indossabili siano stati fabbricati attraverso il modello di inchiostro metallico nobile13, i film metallici sono fragili e subiscono fessurazioni quando sollecitati meccanicamente. Diversi gruppi di ricerca hanno adottato diverse strategie per dotare i metalli della proprietà di compatibilità meccanica con la pelle. Queste strategie includono la riduzione dello spessore del film e l'utilizzo di disegni serpentini o substrati rugosi e prescritti 14,15,16. I materiali conduttivi morbidi e intrinsecamente flessibili, come i polimeri conduttivi, hanno trovato la loro applicazione nei dispositivi bioelettronici flessibili. La loro flessibilità polimerica è combinata con la conduttività elettrica e ionica. PEDOT:PSS è il polimero conduttivo più utilizzato in bioelettronica. È caratterizzato da morbidezza, biocompatibilità, sostenibilità e lavorabilità di stampa17, che lo rendono compatibile con la produzione diffusa di dispositivi biomedici.
Dispositivi, come gli elettrodi planari collegati a un sistema di acquisizione, consentono la registrazione di biopotenziali nel monitoraggio della salute. I biopotenziali del corpo umano sono segnali elettrici generati da cellule elettrogeniche che si propagano attraverso il corpo fino alla superficie della pelle. A seconda di dove sono posizionati gli elettrodi, è possibile acquisire dati relativi all'attività elettrica del cervello (EEG), dei muscoli (EMG), del cuore (ECG) e della conduttività cutanea (ad esempio, bioimpedenza o attività elettrodermica, EDA). La qualità dei dati viene quindi valutata per valutare l'usabilità degli elettrodi nelle applicazioni cliniche. Un SNR elevato definisce le loro prestazioni18, che in genere vengono confrontate con le registrazioni degli elettrodi Ag / AgCl all'avanguardia. Sebbene gli elettrodi Ag/AgCl abbiano anche un elevato SNR, mancano di operatività a lungo termine e vestibilità conformabile. Le registrazioni di biosegnali di alta qualità forniscono informazioni sullo stato di salute umano correlato alla funzione di un particolare organo. Pertanto, questi vantaggi di comode interfacce per tatuaggi o tessuti indicano la loro promessa per applicazioni a lungo termine che possono consentire il monitoraggio della salute mobile nella vita reale e aprire la strada allo sviluppo della telemedicina19.
Questo documento riporta come fabbricare e valutare elettrodi per tatuaggi e tessuti nel biomonitoraggio sanitario. Dopo la sua fabbricazione, deve essere caratterizzato un nuovo elettrodo. Tipicamente, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) viene adottata per studiare le prestazioni elettriche dell'elettrodo rispetto a un'interfaccia target (ad esempio, la pelle) in termini di funzione di trasferimento. L'EIS viene utilizzato per confrontare le caratteristiche di impedenza di più elettrodi ed eseguire test in diverse condizioni (ad esempio, variando la progettazione dell'elettrodo o studiando le risposte a lungo termine). Questo documento mostra la registrazione dei biosegnali di superficie attraverso una facile configurazione e riporta un metodo intuitivo per registrare diversi tipi di biosegnali applicabili a qualsiasi nuovo elettrodo fabbricato che deve essere convalidato per le registrazioni biopotenziali cutanee.
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Protocol
NOTA: Gli esperimenti che coinvolgono soggetti umani non hanno comportato la raccolta di informazioni private identificabili relative allo stato di salute dell'individuo e sono utilizzati qui solo per dimostrazioni tecnologiche. I dati sono stati calcolati in media su tre soggetti diversi. Le registrazioni elettrofisiologiche sono state estratte dai dati precedentemente pubblicati 6,21.
1. Fabbricazione di elettrodi PEDOT: PSS stampati a getto d'inchiostro
NOTA: Il seguente protocollo è stato utilizzato per fabbricare elettrodi per elettrofisiologia su substrati commerciali e flessibili- carta per tatuaggi6 e tessuto21. Lo stesso approccio è stato ampiamente adottato per realizzare elettrodi su substrati flessibili come sottili fogli di plastica22. In tutti i casi, è stata utilizzata una stampante a getto d'inchiostro per la modellazione di PEDOT:PSS (vedere la Tabella dei materiali).
- Pre-elaborazione del substrato dell'elettrodo
- Taglia un pezzo del substrato di interesse.
- Quando si utilizza un substrato per tatuaggi, lavarlo con acqua prima di stampare per rimuovere lo strato più alto e solubile in acqua dalla carta23.
NOTA: Il kit carta tatuaggio è inoltre dotato di un foglio di colla utilizzato in questo lavoro, sia per migliorare l'adesione del tatuaggio che come strato di passivazione. La carta per tatuaggi ha una struttura stratificata (Figura supplementare S1), che include un foglio di carta di supporto, uno strato di polivinillalcol (PVA) solubile in acqua, un film di poliuretano rilasciabile e uno strato di PVA più in alto. Il foglio di colla ha una struttura stratificata composta da carta siliconica come supporto, colla acrilica a base d'acqua e un rivestimento a sgancio superiore.
- Quando si utilizza un substrato per tatuaggi, lavarlo con acqua prima di stampare per rimuovere lo strato più alto e solubile in acqua dalla carta23.
- Per fabbricare sensori indossabili, inizia a tagliare il substrato di interesse. Posizionare il substrato sulla piastra della stampante, nastrandone il bordo per mantenerlo piatto.
- Taglia un pezzo del substrato di interesse.
- Stampa di PEDOT: inchiostro PSS
- Preparare il disegno da stampare, ad esempio un cerchio (diametro 12 mm) con un pad rettangolare nella parte inferiore (3 mm x 7 mm), quest'ultimo da utilizzare per l'interconnessione.
- Riempire le cartucce della stampante (10 pl) con l'inchiostro commerciale PEDOT:PSS dopo averlo filtrato. Questa è una dispersione acquosa del polimero conduttivo.
- Stampare il disegno sul substrato.
- Quando si utilizza carta per tatuaggi e tessuti, che hanno rispettivamente un'energia superficiale moderata-alta e proprietà assorbenti, stampare con una spaziatura delle gocce di ~ 20 μm.
- Stampare più strati PEDOT:PSS, consecutivamente o applicando un processo di essiccazione (110 °C per 15 min) tra gli strati per creare un modello conduttivo omogeneo e continuo.
NOTA: Ciò è particolarmente richiesto nel caso degli elettrodi tessili, in cui la struttura 3D dei tessuti richiede più contenuto di inchiostro per creare un percorso conduttivo continuo all'interno del tessuto.
- Asciugare l'elettrodo a 110 °C per 15 minuti nel forno per completare l'evaporazione del solvente.
NOTA: gli elettrodi ottenuti su carta tessile, PET e per tatuaggi (Figura 1A-C) stampando più dispositivi in una sola tiratura (Figura 1D) possono ora essere conservati in un ambiente chiuso, pulito e asciutto prima di continuare con i passaggi successivi.
- Fabbricazione di connettori esterni
- Elettrodi per tatuaggi
- Tagliare un pezzo rettangolare di substrato in polietilene naftalato (PEN) (8 mm x 12 mm, spessore 1,3 mm).
- Stampare un design rettangolare (3 mm x 12 mm) con tre strati PEDOT:PSS sulla parte superiore del substrato.
- Asciugare il campione stampato in forno a 110 °C per 15 min.
- Laminare l'interconnessione PEN sull'elettrodo del tatuaggio, con le parti rettangolari PEDOT:PSS una di fronte all'altra.
- Tagliare un foro (diametro 11,3 mm) nel foglio di colla di carta per tatuaggi. Allineare questo foro del foglio di colla con la parte sensibile circolare dell'elettrodo PEDOT:PSS del tatuaggio. Aggiungere un pezzo di nastro in poliimmide (vedere la Tabella dei materiali) all'estremità libera dell'interconnessione PEN.
- Elettrodi in fogli tessili e plastici
- Fissare un pezzo di nastro conduttivo (ad esempio, nastro di rame) attorno alla connessione rettangolare stampata per ottenere un'interconnessione robusta e stabile.
- Collegare un connettore pogo pin al nastro di rame e collegare il pin pogo al sistema di registrazione.
- Elettrodi per tatuaggi
- Trasferimento dell'elettrodo del tatuaggio
- Rimuovere il rivestimento della colla. Posiziona il tatuaggio sulla porzione desiderata della pelle.
- Bagnare la carta di supporto posteriore, mantenendo il tatuaggio in posizione. Una volta che la carta di supporto posteriore è imbevuta, farla scorrere per rimuoverla, lasciando sulla pelle solo l'elettrodo realizzato con la pellicola ultrasottile trasferibile.
- Collegare il contatto PEN piatto all'unità di acquisizione esterna. Vedere paragrafo 1.3.
- Posizionamento elettrodi tessili
- Posizionare l'elettrodo sulla pelle. Con l'aiuto di un braccialetto sportivo in tessuto o di un nastro medico, mantenere l'elettrodo a contatto stabile con la pelle per garantire registrazioni del segnale di alta qualità durante il movimento.
- Eseguire la registrazione elettrofisiologica di superficie desiderata. Lavare via gli elettrodi del tatuaggio dopo le registrazioni strofinandoli con una spugna bagnata.
2. Caratterizzazione degli elettrodi mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica
- Misurazione su corpo
- Assicurati che il volontario sia comodamente seduto con un braccio posto su un tavolo a riposo.
NOTA: non è necessaria alcuna pulizia o lavaggio della pelle.
- Assicurati che il volontario sia comodamente seduto con un braccio posto su un tavolo a riposo.
- Posizionamento dell'elettrodo
- Posizionare un elettrodo sulla pelle e collegarlo all'elettrodo di rilevamento dell'elettrodo funzionante (WE-S) dell'EIS.
- Posizionare un altro elettrodo a 3 cm di distanza dal primo e collegarlo al controelettrodo (CE) dell'EIS.
- Posizionare il terzo elettrodo sul gomito e collegarlo all'elettrodo di riferimento (RE) dell'EIS. Vedere la Figura 2A per la configurazione dei tre elettrodi .
NOTA: Gli elettrodi collegati al CE e al RE dell'EIS possono essere entrambi elettrodi Ag/AgCl o fatti di PEDOT:PSS, come nel caso del WE in questo studio.
- Avviare la registrazione sul potenziostato EIS. Applicare una corrente tra il contatore e gli elettrodi di lavoro. Misurare la variazione potenziale tra la coppia di riferimento e di rilevamento.
NOTA: Il collegamento dell'elettrodo del tatuaggio e del tessuto con il sistema di acquisizione può essere realizzato con una clip per formare un collegamento elettrico stabile con i cavi del potenziostato. L'impedenza di uscita calcolata ad ogni frequenza è costituita da due contributi: impedenza cutanea e impedenza di contatto pelle-elettrodo.
3. Registrazioni elettrofisiologiche di superficie
NOTA: la sezione seguente descrive il posizionamento dell'elettrodo per ogni biosegnale di interesse. Una volta che gli elettrodi sono posizionati correttamente e ben attaccati alla pelle, possono essere collegati al sistema di acquisizione portatile per avviare le registrazioni. Il contenuto video di questo articolo mostra un esempio di monitoraggio elettrofisiologico utilizzando elettrodi Ag/AgCl disponibili in commercio e un'unità elettronica portatile.
- Per l'ECG, adottare una configurazione indossabile con due o tre (uno usato come terra) elettrodi. Posizionare gli elettrodi in più aree del corpo (ad esempio, torace, polsi, costole) con una distanza minima interelettrodo di 6 cm per ottenere un segnale apprezzabile.
NOTA: Una posizione classica comporta il posizionamento di due elettrodi sulle clavicole sinistra e destra; in questo caso, l'elettrodo di terra può essere posizionato sulla cresta iliaca sinistra. - Per la registrazione dell'attività elettrica muscolare (EMG), posizionare gli elettrodi lungo il muscolo di interesse (ad esempio, sul bicipite o sul polpaccio). Posizionare l'elettrodo di terra in una posizione statica come un osso adiacente.
- Per la registrazione dell'attività elettrica cerebrale (EEG), posizionare gli elettrodi in più posizioni sulla testa.
NOTA: le posizioni confortevoli sono la fronte e intorno alle orecchie esterne. Può essere necessario un elettrodo di riferimento, in genere dietro l'orecchio sull'osso mastoideo. - Per le misurazioni dell'attività elettrodermica (EDA), posizionare due elettrodi sul palmo della mano sinistra. Eseguire la registrazione quando il soggetto è a riposo o sta facendo esercizio fisico.
NOTA: l'impedenza cutanea può essere misurata su tutta la superficie corporea (ad esempio, le costole, sulla schiena, sulla suola del piede); una distanza interelettrode sufficiente di 6 cm garantisce un buon monitoraggio.
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Representative Results
Questo documento mostra la fabbricazione di comodi elettrodi a contatto con la pelle mediante stampa a getto d'inchiostro e un metodo per caratterizzarli ed eseguire registrazioni elettrofisiologiche. Abbiamo riportato le fasi di fabbricazione della stampa a getto d'inchiostro PEDOT: PSS direttamente su diversi substrati, come tessuto (Figura 1A), PEN (Figura 1B) e carta per tatuaggi (Figura 1C, D) come riferimento. I progetti proposti nella fase di protocollo 1.2.1. e passo 1.3.1.5. definire un'area di rilevamento circolare di 1 cm2 per confrontare gli elettrodi con lo stato dell'arte Ag/AgCl adottato principalmente nelle cliniche.
Per caratterizzare le prestazioni degli elettrodi, le loro impedenze sono state misurate attraverso la configurazione EIS a tre elettrodi (Figura 2A, B). Questo metodo consente lo studio dell'impedenza dell'elettrodo cutaneo quando si eseguono misurazioni sul corpo con elettrodi posizionati sul braccio. Ad esempio, l'impedenza rappresentativa degli elettrodi tessili è riportata nella Figura 2C, dove il modulo di impedenza è riportato nel diagramma di Bode. Gli elettrodi tessili presentano impedenze leggermente superiori ma comparabili rispetto agli elettrodi Ag/AgCl, il gold standard in elettrofisiologia. La forma del modulo di impedenza (Figura 2C) indica un comportamento resistivo leggermente superiore nel caso degli elettrodi tessili, mentre lo standard Ag/AgCl mostra il tipico comportamento resistivo-capacitivo24. Tutti e tre i tipi di elettrodi, tatuaggio, tessuto e pellicole sottili, sono stati studiati tramite EIS, consentendo la caratterizzazione della loro interfaccia con la pelle25.
Posizionando gli elettrodi sulla pelle in diverse aree del corpo, come mostrato nella Figura 3, abbiamo accesso a più biosegnali (ad esempio, EEG, ECG, EMG ed EDA). Le registrazioni del biosegnale possono essere facilmente ottenute collegando gli elettrodi a strumentazione portatile o su scala di laboratorio appropriata. La Figura 3A mostra il tracciamento EEG, la registrazione dell'attività elettrica delle popolazioni di neuroni attivi. Uno dei gruppi di base delle onde cerebrali sono le onde alfa (8-13 Hz). Le onde alfa riflettono lo stato del cervello sotto rilassamento e possono essere indotte chiedendo al soggetto di chiudere gli occhi26. La linea tratteggiata verticale grigia (Figura 3A) segna il momento della registrazione in cui al volontario è stato chiesto di aprire gli occhi. Nel tracciato ECG in Figura 3B, la polarizzazione e la depolarizzazione degli atri e dei ventricoli del cuore sono rappresentate dal modello caratteristico costituito dall'onda P, dal complesso QRS e da un'onda T27. Nella Figura 3B, il complesso QRS è identificabile e i picchi R mostrano l'ampiezza più alta e vengono utilizzati per calcolare la frequenza cardiaca considerando il tempo tra due consecutivi.
La Figura 3C mostra il tracciamento EMG mentre il volontario ha progressivamente aumentato la forza dei muscoli del braccio. L'attività muscolare intensificata è quantificata dall'aumento dell'ampiezza dei picchi di tensione. In un tracciato EMG, picchi con ampiezza da pochi microvolt a pochi millivolt, nell'intervallo di frequenza di 10-1.000 Hz, riflettono l'attività della fibra muscolare guidata dai potenziali d'azione dell'unità motoria. La Figura 3D mostra il tracciato EDA tipicamente composto da componenti tonici e fasici. La componente tonica riflette il livello di conduttanza cutanea e corrisponde al segnale di fondo. La componente fasica riflette la risposta del soggetto ad uno stimolo specifico ed è rilevabile da una variazione del valore di conduttanza cutanea28. Questo tracciamento viene utilizzato per valutare i livelli di stress umano e l'idratazione del corpo.
Figura 1: Elettrodi stampati a getto d'inchiostro PEDOT:PSS. Elettrodi stampati su (A) tessuto 100% cotone, (B) foglio PET e (C) carta per tatuaggi temporanei. (D) Fotografia della stampante a getto d'inchiostro durante la stampa di più elettrodi PEDOT:PSS su supporto di carta per tatuaggi. Abbreviazioni: PET = polietilene tereftalato; PEDOT:PSS = poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirenesolfonato). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Misure EIS. (A) Schema della configurazione dell'elettrodo per la misurazione EIS sul corpo; l'elettrodo di lavoro è posto a 3 cm di distanza dall'elettrodo da banco Ag/AgCl; il riferimento Ag/AgCl è posto sul gomito del volontario. (B) Schema della configurazione a tre elettrodi per le misurazioni EIS sulla pelle. Viene applicata una corrente tra il contatore e gli elettrodi di lavoro e la tensione viene misurata tra gli elettrodi di riferimento e di rilevamento. (C) Modulo di impedenza degli elettrodi tessili ag/agCl e PEDOT:PSS-gel liquido ionico (curve blu e verde, rispettivamente). L'impedenza è stata misurata con una configurazione a tre elettrodi sul braccio. Questa cifra è stata modificata da Bihar et al.21. Abbreviazioni: EIS = spettroscopia di impedenza elettrochimica; CE = controelettrodo; WE = elettrodo di lavoro; RE = elettrodo di riferimento; S = elettrodo di rilevamento; PEDOT: PSS = poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirenesolfonato). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Schema di posizionamento del corpo dell'elettrodo con i rispettivi tracciati di registrazione elettrofisiologica. (A) Tracciamento EEG. La linea verticale tratteggiata indica la transizione da uno stato con onde alfa a uno stato senza, che coincide con quando al volontario è stato chiesto di aprire gli occhi. B) tracciamento ECG. Le punte superiori rappresentano i picchi R che appartengono al complesso QRS. C) tracciatura EMG. L'attività muscolare è rappresentata da un segnale di tensione la cui ampiezza aumenta con l'aumentare dell'attività del muscolo evocata dal volontario. d) rintracciabilità nell'AED. Durante i primi 2 s, il segnale rappresenta la componente tonica, mentre il suo successivo aumento di ampiezza indica la componente fasica, che rispecchia la risposta del volontario a uno stimolo. Tutte le registrazioni sono state eseguite con elettrodi Ag/AgCl su un volontario sano. Abbreviazioni: EEG = elettroencefalografia; ECG = elettrocardiografia; EMG = elettromiografia; EDA = attività elettrodermica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare S1: Schema di struttura a strati di carta per tatuaggi. Un foglio di carta di supporto supporta il nanofilm rilasciabile realizzato con una miscela di poliuretano e altri polimeri. Due strati di polivinillalcol (PVA) solubili in acqua coprono entrambi i lati del film. Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Questo documento descrive un processo semplice e scalabile per fabbricare elettrodi indossabili e dimostra un metodo per registrare i biosegnali elettrofisiologici. Utilizza tre esempi di substrati indossabili, come tatuaggi, tessuti e film sottili. Introduce come costruire un sensore su questi substrati e caratterizzarne le prestazioni prima della sua applicazione. Per realizzare gli elettrodi qui, abbiamo utilizzato PEDOT: PSS, un polimero conduttivo che si distingue dai conduttori a base di metallo per la sua economicità, lavorabilità versatile, biocompatibilità, morbidezza e sostenibilità per la sua compatibilità con la lavorazione verde29. La modellazione PEDOT:PSS su substrati pronti all'uso è stata ottenuta tramite una tecnica di stampa a getto d'inchiostro che consente un controllo preciso della deposizione dell'inchiostro con libertà di progettazione (Figura 1).
La stampa a getto d'inchiostro è una tecnica senza contatto che consente la funzionalizzazione selettiva di substrati flessibili e non convenzionali chimicamente e fisicamente incompatibili con i tradizionali processi di microfabbricazione fotolitografica. Rispetto alla serigrafia, un'altra tecnica spesso utilizzata per la fabbricazione di elettrodi, il getto d'inchiostro non richiede maschere, con conseguente minore spreco di inchiostro e semplice personalizzazione30. La tecnologia a getto d'inchiostro controlla rigorosamente lo spessore mediante deposizione a più strati (getto d'inchiostro: <1 μm vs schermo: >a pochi μm). Infatti, quando si stampa su carta da tatuaggio (Figura 1D), uno strato stampato PEDOT:PSS (spessore di 240 nm ± 30 nm) è sufficiente per ottenere un film conduttivo omogeneo (Figura 1C), con uno spessore sub-micrometrico che si autoaderisce naturalmente alla pelle seguendo la sua rugosità31. Tuttavia, quando si stampa su tessuti, l'inchiostro cade sulle strutture porose 3D create da filati lavorati a maglia o ondulati (Figura 1A). Sono necessari più strati per ottenere il collegamento elettrico tra le fibre rivestite, funzionalizzando la materia tessile in modo controllato e personalizzato32.
Quando si stampa su substrati nuovi e atipici, è fondamentale trovare il numero ottimale di strati stampati, considerando il compromesso tra le prestazioni e la velocità del processo di fabbricazione. Per la fabbricazione di elettrodi tessili, si deve prestare attenzione a mantenere il substrato piatto durante la stampa (vedere paragrafo 1.3.). Pertanto, la strategia di stampa dovrebbe prendere in considerazione l'ottimizzazione del layout di stampa in deposizione multistrato e la possibilità di allineamento nella deposizione di materiali consecutivi.
Tuttavia, è importante sottolineare alcune limitazioni di questi elettrodi e della loro fabbricazione. Gli elettrodi tessili potrebbero richiedere ulteriori passaggi di stampa di un elettrolita gel. È stato dimostrato che svolge un ruolo chiave nel ridurre l'impedenza di contatto pelle-elettrodo, fornendo così registrazioni di biosegnali di alta qualità33 Inoltre, la lavabilità dei sensori indossabili tessili è un aspetto critico quando si prevede la piena integrazione nei vestiti. Le proprietà fisico-chimiche del substrato tessile e dell'inchiostro polimerico conduttivo influenzano la conformità del dispositivo finale ai cicli di lavaggio. Pertanto, si dovrebbe indagare esaustivamente l'aspetto di cui sopra per valutare appieno le loro prestazioni a lungo termine.
Nella fabbricazione del sensore del tatuaggio, un passo delicato è trovare la migliore interconnessione elettrica tra il sensore del tatuaggio e il sistema di acquisizione (vedere il protocollo sezione 1.3.). In effetti, la tecnologia del tatuaggio ha guadagnato interesse grazie al formato a film sottile che rende impercettibili gli elettrodi del tatuaggio. Pertanto, la loro manipolazione richiede particolare attenzione quando vengono applicate sollecitazioni meccaniche, in particolare alla parte di interconnessione. È anche importante ricordare il meccanismo di trasferimento dei tatuaggi sulla pelle che richiede di bagnare la carta di supporto con acqua. Sebbene questo metodo sia semplice, qualsiasi contatto improvviso tra l'acqua e il sensore del tatuaggio già trasferito delaminato quest'ultimo. Mentre la conformabilità dei tatuaggi ultrasottili è un vantaggio chiave per la tecnologia indossabile, la vulnerabilità all'acqua e alle sollecitazioni meccaniche di sfregamento restringe il periodo di funzionamento del sensore del tatuaggio a un paio di giorni.
Quando viene introdotto un nuovo tipo di elettrodo, EIS aiuta a fornire la valutazione primaria delle prestazioni dell'elettrodo rispetto al benchmark (gli elettrodi Ag/AgCl) prima di procedere con un'applicazione. La sezione 2 del protocollo descriveva le misurazioni EIS degli elettrodi fabbricati quando posizionati direttamente sul corpo umano per ottenere informazioni su come sono accoppiati elettricamente con la pelle. La configurazione a tre elettrodi (Figura 2A,B) valuta la capacità di trasferimento del segnale attraverso l'interfaccia pelle-elettrodo. Il nuovo elettrodo da indagare è quello collegato al WE e S dell'EIS. Gli altri due elettrodi sono usati come CE e RE. L'EIS viene eseguito in modalità potenziostatica, in cui viene applicata una piccola corrente sinusoidale (0,1 V) (0,1-100 Hz) tra CE e WE, mentre la variazione potenziale viene misurata attraverso la coppia RE-S. L'impedenza viene quindi calcolata ad ogni frequenza. L'impedenza misurata consiste in due contributi: l'impedenza cutanea e l'impedenza di contatto pelle-elettrodo.
I comportamenti capacitivi e resistivi di un elettrodo sono definiti dai grafici EIS (Figura 2C). Sviluppando circuiti equivalenti per adattarsi ai dati sperimentali, è possibile capire come un elettrodo trasduce i biosegnali e che tipo di interfaccia stabilisce con la pelle34. Mentre gli elettrodi per tatuaggi sono asciutti e aderenti alla pelle, le loro impedenze differiscono leggermente dagli elettrodi Ag / AgCl gelificati standard. La presenza di un'interfaccia gel tra la pelle e l'elettrodo favorisce la trasduzione del segnale e riduce l'impedenza di contatto.
La resistenza meccanica è un'altra caratteristica chiave dei dispositivi indossabili. Gli elettrodi tessili PEDOT:PSS hanno dimostrato di resistere allo stress di allungamento33. Combinati con gel liquidi ionici stampati, offrono un contatto elettrico stabile con la pelle e robustezza meccanica in condizioni indossabili. L'elasticità, la morbidezza e la porosità strutturale, che conferiscono la capacità di passare il sudore a causa del contatto con il corpo umano, portano questo tipo di elettrodo ad essere la tecnologia più adatta per l'elettronica indossabile. Ancora una volta, l'interconnessione con i sistemi elettronici rimane delicata. Pertanto, questi sistemi possono essere depositati direttamente nel tessuto.
La validazione definitiva dei sensori cutanei può essere eseguita solo su soggetti. I sensori cutanei sono condizionati dalla variabilità cutanea tra i soggetti e da vari fattori dinamici e condizioni ambientali, che influenzano direttamente le loro prestazioni. Qui, abbiamo dimostrato come ottenere tracciati EEG, ECG, EMG ed EDA significativi attraverso una piattaforma completamente portatile. Il posizionamento degli elettrodi svolge un ruolo importante nell'ottenere informazioni affidabili e accurate durante il monitoraggio. L'analisi delle registrazioni mostrate nella Figura 3 può confermare la capacità dell'elettrodo nelle registrazioni elettrofisiologiche e ottenere preziosi risultati di monitoraggio del corpo. La capacità di registrazione varia da un'attività neurale estremamente debole (Figura 3A) a contrazioni muscolari ad alta potenza (Figura 3C).
Nella Figura 3B e nella Figura 3D, l'attività cardiaca e le risposte elettrodermiche dimostrano la risoluzione e la sensibilità degli elettrodi fabbricati. La registrazione del biosegnale fornisce dati utili sulla salute del corpo dell'utente, sulle prestazioni in condizioni specifiche e sulla risposta a specifici stimoli interni o esterni, espandendo la loro applicazione a una varietà di studi biomedici. Esistono più front-end elettronici portatili per acquisire biosegnali come ECG, EMG, EEG ed EDA. Esempi sono i chip amplificatori elettrofisiologici portatili RHD2216 di Intan Technologies, il wearable Shimmer, il dispositivo DueLite di OT Bioelettronica, il dispositivo wireless PLUX nella versione avanzata (denominata Biosignal PLUX), o la versione DIT (denominata BITalino).
Per concludere, è possibile fabbricare più sensori con i protocolli presentati per una varietà di applicazioni di monitoraggio della salute. Ad esempio, gli array multielettrodi PEDOT:PSS (MEA) basati sul tatuaggio sono stati impiegati con successo per l'EMG facciale in quanto non compromettono i movimenti facciali naturali e consentono la registrazione del biosegnale senza alterazioni25,35. Tuttavia, elettrodi sottili ed estensibili sono stati fabbricati mediante stampa a getto d'inchiostro PEDOT: PSS su substrato di collant estensibile a basso costo, ottenendo registrazioni ECG di alta qualità, sia in condizioni di riposo che di movimento, con il minimo disagio per l'utente33. Con questo protocollo, abbiamo ottenuto sensori cutanei morbidi, conformabili e confortevoli attraverso il pattern di inchiostro conduttivo su substrati pronti all'uso. La stampa a getto d'inchiostro è una tecnica scalabile e a basso costo che si distingue dai tradizionali processi di fabbricazione microelettronica. Il metodo proposto descrive come acquisire segnali elettrofisiologici, che variano da debole attività neurale a contrazioni muscolari ad alta potenza. Questi segnali consentono di ottenere informazioni sullo stato fisiologico del corpo dell'utente. Nel complesso, presentiamo i primi passi sulla fattibilità di dispositivi elettronici indossabili senza soluzione di continuità per una varietà di applicazioni biomediche, che si estendono dal fitness al monitoraggio sanitario.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dall'Agenzia nazionale francese per la ricerca attraverso il progetto ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). Ha inoltre ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea nell'ambito dell'accordo di sovvenzione Marie Sklodowska-Curie n. 813863. E.I. desidera ringraziare lo staff della camera bianca CMP presso il Centro microelettronica in Provenza per il loro supporto tecnico durante lo sviluppo del progetto.
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 |
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