أقطاب كهربائية قابلة للارتداء متوافقة: من التصنيع إلى التقييم الكهروفسيولوجي
Summary
أظهرت تقنيتان حديثتان – الوشم والمنسوجات – نتائج واعدة في الاستشعار الجلدي. هنا ، نقدم طرق تصنيع وتقييم أقطاب الوشم والنسيج للاستشعار الكهروفسيولوجي الجلدي. هذه الواجهات الإلكترونية المصنوعة من البوليمرات الموصلة تتفوق على المعايير الحالية من حيث الراحة والحساسية.
Abstract
أصبحت الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء لاعبين رئيسيين في مراقبة إشارات الجسم التي تتغير في الغالب أثناء تتبع النشاط البدني. بالنظر إلى الاهتمام المتزايد بالتطبيب عن بعد والرعاية الشخصية مدفوعا بصعود عصر إنترنت الأشياء ، وسعت أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء مجال تطبيقها في مجال الرعاية الصحية. لضمان جمع البيانات ذات الصلة سريريا ، تحتاج هذه الأجهزة إلى إنشاء واجهات متوافقة مع جسم الإنسان لتوفير تسجيلات عالية الجودة وتشغيل طويل الأجل. تحقيقا لهذه الغاية ، تقدم هذه الورقة طريقة لتصنيع أجهزة استشعار رقيقة وناعمة قائمة على الوشم والمنسوجات الناعمة لتطبيقها كأجهزة إلكترونية عضوية يمكن ارتداؤها بسهولة في مجموعة واسعة من التسجيلات الكهروفسيولوجية السطحية.
يتم تطوير أجهزة الاستشعار من خلال عملية فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير من نمط القطب الجلدي باستخدام بولي (3,4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) – بولي (ستايرين سلفونات) (PEDOT: PSS) ، البوليمر الموصل الأكثر شعبية في الإلكترونيات الحيوية ، على ركائز جاهزة يمكن ارتداؤها. تقدم هذه الورقة الخطوات الرئيسية في توصيف القطب الكهربائي من خلال التحليل الطيفي للمعاوقة للتحقيق في أدائها في نقل الإشارة عند اقترانها بالجلد. هناك حاجة إلى دراسات مقارنة لوضع أداء أجهزة الاستشعار الجديدة فيما يتعلق بالمعيار الذهبي السريري. للتحقق من أداء أجهزة الاستشعار الملفقة، يوضح هذا البروتوكول كيفية إجراء تسجيلات مختلفة للإشارة الحيوية من تكوينات مختلفة من خلال إعداد إلكتروني سهل الاستخدام ومحمول في بيئة مختبرية. ستسمح ورقة الأساليب هذه بمبادرات تجريبية متعددة للنهوض بالحالة الحالية للفن في أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء لمراقبة صحة جسم الإنسان.
Introduction
يتم إجراء تسجيل الجهد الحيوي غير الباضع من خلال أقطاب كهربائية ملامسة للجلد ، مما يوفر كمية هائلة من البيانات حول الحالة الفسيولوجية لجسم الإنسان في اللياقة البدنية والرعاية الصحية1. تم تطوير أنواع جديدة من أجهزة المراقبة الحيوية القابلة للارتداء من أحدث التطورات التكنولوجية في مجال الإلكترونيات من خلال تقليص نطاق مكونات التحكم والاتصال المتكاملة إلى أبعاد محمولة. تنتشر أجهزة المراقبة الذكية في السوق يوميا ، حيث توفر قدرات مراقبة متعددة بهدف نهائي يتمثل في توفير محتوى فسيولوجي كاف لتمكين التشخيص الطبي2. لذلك ، تمثل الواجهات الآمنة والموثوقة والقوية مع جسم الإنسان تحديات حاسمة في تطوير تقنيات مشروعة يمكن ارتداؤها للرعاية الصحية. ظهرت أقطاب الوشم والمنسوجات مؤخرا كواجهات موثوقة ومستقرة ينظر إليها على أنها أجهزة مبتكرة ومريحة للاستشعار البيولوجي القابل للارتداء3،4،5.
أجهزة استشعار الوشم هي واجهات جافة ورقيقة ، نظرا لسمكها المنخفض (~ 1 ميكرومتر) ، تضمن ملامسة الجلد الخالية من المواد اللاصقة والمتوافقة. وهي تستند إلى مجموعة ورق وشم متاحة تجاريا تتكون من بنية ذات طبقات ، مما يسمح بإطلاق طبقة بوليمرية رقيقة للغاية على الجلد6. يسمح الهيكل متعدد الطبقات أيضا بسهولة التعامل مع الطبقة البوليمرية الرقيقة أثناء عملية تصنيع المستشعر ونقلها إلى الجلد. القطب النهائي مطابق تماما وغير محسوس تقريبا لمرتديها. أجهزة استشعار النسيج هي أجهزة إلكترونية يتم الحصول عليها من وظائف النسيج باستخدام مواد نشطة كهربائيا7. يتم دمجها بشكل أساسي أو ببساطة خياطتها في الملابس لضمان راحة المستخدم بسبب نعومتها وتهويتها وتقاربها الواضح مع الملابس. منذ ما يقرب من عقد من الزمان ، تم تقييم أقطاب النسيج والوشم في التسجيلات الكهروفسيولوجية السطحية3،8،9 ، مما يدل على نتائج جيدة في كل من تسجيلات قابلية الارتداء وجودة الإشارة والإبلاغ عن نسبة عالية من الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في التقييمات قصيرة وطويلة الأجل. كما تم تصورها كمنصة محتملة لتحليل العرق الكيميائي الحيوي القابل للارتداء 1,10.
يتم تعزيز الاهتمام المتزايد بالوشم والمنسوجات ، وبشكل عام ، تقنيات الأغشية الرقيقة المرنة (على سبيل المثال ، تلك المصنوعة من رقائق بلاستيكية مثل الباريلين أو اللدائن المطاطية المختلفة) بشكل أساسي من خلال التوافق مع طرق التصنيع منخفضة التكلفة والقابلة للتطوير. تم اعتماد طباعة الشاشة ، والطباعة النافثة للحبر ، والنقش المباشر ، وطلاء الغمس ، ونقل الطوابع بنجاح لإنتاج مثل هذه الأنواع من الواجهات الإلكترونية11. من بين هذه ، الطباعة النافثة للحبر هي تقنية النماذج الأولية الرقمية والسريعة الأكثر تقدما. يتم تطبيقه بشكل أساسي على نقش الأحبار الموصلة بطريقة غير تلامسية ومضافة في ظل الظروف المحيطة وعلى مجموعة كبيرة ومتنوعة من الركائز12. على الرغم من أن العديد من أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء قد تم تصنيعها من خلال نقش الحبر المعدني النبيل13 ، إلا أن الأفلام المعدنية هشة وتخضع للتشقق عند الإجهاد الميكانيكي. تبنت مجموعات بحثية مختلفة استراتيجيات مختلفة لمنح المعادن خاصية التوافق الميكانيكي مع الجلد. وتشمل هذه الاستراتيجيات تقليل سمك الفيلم واستخدام تصاميم سربنتين أو الركائز المجعدة والممدودةمسبقا 14،15،16. وجدت المواد الموصلة الناعمة والمرنة في جوهرها ، مثل البوليمرات الموصلة ، تطبيقها في الأجهزة الإلكترونية الحيوية المرنة. يتم الجمع بين مرونتها البوليمرية مع الموصلية الكهربائية والأيونية. PEDOT: PSS هو البوليمر الموصل الأكثر استخداما في الإلكترونيات الحيوية. يتميز بالنعومة والتوافق الحيوي والاستدامة وقابلية معالجة الطباعة17 ، مما يجعله متوافقا مع الإنتاج الواسع النطاق للأجهزة الطبية الحيوية.
وتسمح الأجهزة، مثل الأقطاب الكهربائية المستوية المتصلة بنظام الاقتناء، بتسجيل الإمكانات الحيوية في الرصد الصحي. الإمكانات الحيوية لجسم الإنسان هي إشارات كهربائية تولدها الخلايا الكهروجينية التي تنتشر عبر الجسم حتى سطح الجلد. وفقا لمكان وضع الأقطاب الكهربائية ، من الممكن الحصول على بيانات تتعلق بالنشاط الكهربائي للدماغ (EEG) والعضلات (EMG) والقلب (ECG) والموصلية الجلدية (على سبيل المثال ، المعاوقة الحيوية أو النشاط الكهربائي الجلدي ، EDA). ثم يتم تقييم جودة البيانات لتقييم قابلية استخدام الأقطاب الكهربائية في التطبيقات السريرية. يحدد SNR العالي أدائها18 ، والذي تتم مقارنته عادة بأحدث تسجيلات قطب Ag / AgCl. على الرغم من أن أقطاب Ag / AgCl لديها أيضا SNR عالية ، إلا أنها تفتقر إلى التشغيل على المدى الطويل وقابلية الارتداء المتوافقة. توفر تسجيلات الإشارات الحيوية عالية الجودة نظرة ثاقبة على حالة صحة الإنسان المتعلقة بوظيفة عضو معين. وبالتالي ، فإن هذه الفوائد من واجهات الوشم أو النسيج المريحة تشير إلى وعدها للتطبيقات طويلة الأجل التي يمكن أن تمكن من مراقبة الصحة المتنقلة في الحياة الواقعية وتمهد الطريق لتطوير التطبيب عن بعد19.
تقدم هذه الورقة تقارير حول كيفية تصنيع وتقييم أقطاب الوشم والمنسوجات في المراقبة الحيوية الصحية. بعد تصنيعه ، يجب وصف قطب جديد. عادة ، يتم اعتماد التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS) لدراسة الأداء الكهربائي للقطب الكهربائي فيما يتعلق بواجهة الهدف (على سبيل المثال ، الجلد) من حيث وظيفة النقل. يستخدم EIS لمقارنة خصائص المعاوقة للأقطاب الكهربائية المتعددة وإجراء الاختبارات في ظل ظروف مختلفة (على سبيل المثال ، تغيير تصميم القطب الكهربائي أو دراسة الاستجابات طويلة الأجل). توضح هذه الورقة تسجيل الإشارات الحيوية السطحية من خلال إعداد سهل وتبلغ عن طريقة سهلة الاستخدام لتسجيل أنواع مختلفة من الإشارات الحيوية القابلة للتطبيق على أي قطب كهربائي جديد ملفق يحتاج إلى التحقق من صحته لتسجيلات الجهد الحيوي الجلدي.
Protocol
Representative Results
Discussion
تصف هذه الورقة عملية سهلة وقابلة للتطوير لتصنيع أقطاب كهربائية يمكن ارتداؤها وتوضح طريقة لتسجيل الإشارات الحيوية الكهروفسيولوجية. يستخدم ثلاثة أمثلة على الركائز القابلة للارتداء ، مثل الوشم والمنسوجات والأغشية الرقيقة. يقدم كيفية بناء جهاز استشعار على هذه الركائز وتوصيف أدائه قبل تطبي…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل الوكالة الوطنية الفرنسية للبحوث من خلال مشروع ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). كما تلقت تمويلا من برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة Marie Sklodowska-Curie رقم 813863. يود E.I. أن يشكر موظفي غرف الأبحاث في CMP في مركز الإلكترونيات الدقيقة في بروفانس على دعمهم التقني أثناء تطوير المشروع.
Materials
| 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., Firouzi, F., Chakrabarty, K., Nassif, S. Biomedical engineering fundamentals. Intelligent Internet of Things. From Device to Fog and Cloud. , 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).
