Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Совместимые носимые электроды: от изготовления до электрофизиологической оценки

Published: July 22, 2022 doi: 10.3791/63204
Automatic Translation
1, 2, 1
1Centre CMP, Département BEL, Mines Saint-Etienne, 2INRIA, Université Côte d'Azur

Summary

Две последние технологии - татуировка и текстиль - продемонстрировали многообещающие результаты в кожном восприятии. Здесь мы представляем методы изготовления и оценки татуировок и текстильных электродов для кожного электрофизиологического зондирования. Эти электронные интерфейсы, изготовленные из проводящих полимеров, превосходят существующие стандарты с точки зрения комфорта и чувствительности.

Abstract

Носимые электронные устройства становятся ключевыми игроками в мониторинге сигналов тела, преимущественно измененных во время отслеживания физической активности. Учитывая растущий интерес к телемедицине и персонализированному уходу, вызванный подъемом эпохи Интернета вещей, носимые датчики расширили область своего применения в здравоохранении. Чтобы обеспечить сбор клинически значимых данных, эти устройства должны установить совместимые интерфейсы с человеческим телом для обеспечения записи высокого качества сигнала и долгосрочной работы. С этой целью в данной статье представлен метод легкого изготовления совместимых тонких датчиков на основе татуировки и мягкого текстиля для их применения в качестве носимых органических электронных устройств в широком спектре поверхностных электрофизиологических записей.

Датчики разработаны с помощью экономически эффективного и масштабируемого процесса структурирования кожных электродов с использованием поли(3,4-этилендиокситиофена)-поли(стиронесульфоната) (PEDOT: PSS), самого популярного проводящего полимера в биоэлектронике, на готовых, носимых подложках. В этой статье представлены ключевые этапы характеристики электродов с помощью импедансной спектроскопии для исследования их эффективности в передаче сигнала в сочетании с кожей. Необходимы сравнительные исследования, чтобы позиционировать производительность новых датчиков по отношению к клиническому золотому стандарту. Чтобы проверить производительность изготовленных датчиков, этот протокол показывает, как выполнять различные записи биосигналов из разных конфигураций с помощью удобной и портативной электронной установки в лабораторных условиях. Этот документ о методах позволит нескольким экспериментальным инициативам продвинуть текущее состояние носимых датчиков для мониторинга здоровья человеческого тела.

Introduction

Неинвазивная биопотенциальная запись осуществляется с помощью контактирующих с кожей электродов, обеспечивая огромное количество данных о физиологическом состоянии человеческого организма в фитнесе и здравоохранении1. Новые типы носимых устройств биомониторинга были разработаны на основе последних технологических достижений в электронике путем уменьшения масштаба интегрированных компонентов управления и связи с портативными размерами. Интеллектуальные устройства мониторинга ежедневно пронизывают рынок, предлагая множество возможностей мониторинга с конечной целью обеспечения достаточного физиологического контента для обеспечения медицинской диагностики2. Поэтому безопасные, надежные и надежные интерфейсы с человеческим телом представляют собой критические проблемы в разработке законных носимых технологий для здравоохранения. Татуировочные и текстильные электроды в последнее время появились как надежные и стабильные интерфейсы, воспринимаемые как инновационные, удобные устройства для носимого биозондирования 3,4,5.

Датчики татуировки представляют собой сухие и тонкие интерфейсы, которые благодаря своей низкой толщине (~ 1 мкм) обеспечивают безадгезивный, совместимый контакт с кожей. Они основаны на коммерчески доступном наборе тату-бумаги, состоящем из слоистой структуры, которая позволяет высвобождать ультратонкий полимерный слой на коже6. Слоистая структура также позволяет легко обращаться с тонким полимерным слоем во время процесса изготовления датчика и его переноса на кожу. Конечный электрод полностью конфидентен и почти незаметен для владельца. Текстильные датчики представляют собой электронные устройства, полученные из функционализации ткани электроактивными материалами7. Они в основном интегрированы или просто вшиты в одежду, чтобы обеспечить комфорт пользователя из-за их мягкости, воздухопроницаемости и очевидного сходства с одеждой. В течение почти десятилетия текстильные и татуировочные электроды оценивались в поверхностных электрофизиологических записях 3,8,9, показывая хорошие результаты как в записях носимости и качества сигнала, так и сообщая о высоком соотношении сигнал/шум (SNR) в краткосрочных и долгосрочных оценках. Они также задуманы как потенциальная платформа для носимого биохимического анализа пота 1,10.

Растущему интересу к татуировочным, текстильным и, в целом, гибким тонкопленочным технологиям (например, изготовленным из пластиковой фольги, такой как парилен или различные эластомеры) в основном способствует совместимость с недорогими и масштабируемыми методами изготовления. Трафаретная печать, струйная печать, прямое нанесение рисунков, погружное покрытие и перенос штампов были успешно приняты для производства таких видов электронных интерфейсов11. Среди них струйная печать является самой передовой цифровой и быстрой техникой прототипирования. Он в основном применяется для моделирования проводящих чернил бесконтактным, аддитивным способом в условиях окружающей среды и на большом разнообразии подложек12. Несмотря на то, что несколько носимых датчиков были изготовлены с помощью чернил из благородного металла13, металлические пленки хрупкие и подвергаются растрескиванию при механическом напряжении. Различные исследовательские группы приняли разные стратегии, чтобы наделить металлы свойством механической совместимости с кожей. Эти стратегии включают уменьшение толщины пленки и использование змеевидных конструкций или морщинистых и предварительно вытянутых подложек 14,15,16. Мягкие и по своей сути гибкие проводящие материалы, такие как проводящие полимеры, нашли свое применение в гибких биоэлектронных устройствах. Их полимерная гибкость сочетается с электрической и ионной проводимостью. PEDOT:PSS является наиболее используемым проводящим полимером в биоэлектронике. Он характеризуется мягкостью, биосовместимостью, устойчивостью и обрабатываемостью печати17, что делает его совместимым с широко распространенным производством биомедицинских устройств.

Устройства, такие как планарные электроды, подключенные к системе сбора, позволяют регистрировать биопотенциалы в мониторинге здоровья. Биопотенциалы человеческого тела представляют собой электрические сигналы, генерируемые электрогенными клетками, которые распространяются по телу до поверхности кожи. В зависимости от того, где размещены электроды, можно получить данные, связанные с электрической активностью мозга (ЭЭГ), мышц (ЭМГ), сердца (ЭКГ) и проводимостью кожи (например, биоимпеданс или электродермальная активность, ЭДА). Затем оценивается качество данных для оценки удобства использования электродов в клинических приложениях. Высокий SNR определяет их производительность18, которая обычно сравнивается с современными электродными записями Ag / AgCl. Хотя электроды Ag/AgCl также имеют высокий SNR, им не хватает долгосрочной эксплуатационной способности и конформируемой носимости. Высококачественные записи биосигналов дают представление о состоянии здоровья человека, связанном с функцией конкретного органа. Таким образом, эти преимущества удобных татуировочных или текстильных интерфейсов указывают на их перспективность для долгосрочных применений, которые могут обеспечить реальный мобильный мониторинг здоровья и проложить путь для развития телемедицины19.

В этой статье сообщается, как изготовить и оценить татуировки и текстильные электроды в биомониторинге здоровья. После его изготовления необходимо охарактеризовать новый электрод. Как правило, электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) используется для изучения электрических характеристик электрода по отношению к целевому интерфейсу (например, коже) с точки зрения передаточной функции. EIS используется для сравнения импедансных характеристик нескольких электродов и проведения испытаний в различных условиях (например, изменение конструкции электрода или изучение долгосрочных реакций). В этой статье показана регистрация поверхностных биосигналов с помощью простой настройки и сообщается о удобном для пользователя методе записи различных типов биосигналов, применимых к любому новому изготовленному электроду, который необходимо проверить для кожных биопотенциальных записей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперименты с участием людей не включали сбор идентифицируемой частной информации, связанной с состоянием здоровья человека, и используются здесь только для технологической демонстрации. Данные были усреднены по трем различным предметам. Электрофизиологические записи были извлечены из ранее опубликованных данных 6,21.

1. Струйная печать PEDOT: изготовление электродов PSS

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующий протокол был использован для изготовления электродов для электрофизиологии на коммерческих, гибких подложках - тату-бумаге6 и текстиле21. Тот же подход был в значительной степени принят для изготовления электродов на гибких подложках, таких как тонкие пластиковые фольги22. Во всех случаях для моделирования PEDOT:PSS использовался струйный принтер (см. Таблицу материалов).

  1. Предварительная обработка электродной подложки
    1. Вырежьте кусок интересующей субстраты.
      1. При использовании татуировочной подложки вымойте ее водой перед печатью, чтобы удалить самый верхний, водорастворимый слой с бумаги23.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Набор татуировочной бумаги также снабжен клеевым листом, используемым в этой работе, как для усиления адгезии татуировки, так и в качестве пассивационного слоя. Татуировочная бумага имеет слоистую структуру (дополнительный рисунок S1), включая поддерживающий бумажный лист, водорастворимый слой поливинилового спирта (ПВА), съемную полиуретановую пленку и самый верхний слой ПВА. Клеевой лист имеет слоистую структуру, состоящую из силиконовой бумаги в качестве опоры, акрилового клея на водной основе и верхнего вкладыша.
    2. Чтобы изготовить носимые датчики, начните резать интересующую подложку. Поместите подложку на печатную пластину, заклеив ее границу, чтобы она оставалась плоской.
  2. Печать чернил PEDOT:PSS
    1. Подготовьте конструкцию к печати, например, круг (диаметр 12 мм) с прямоугольной прокладкой внизу (3 мм х 7 мм), последняя будет использоваться для соединения.
    2. Заполните картриджи принтера (10 пл) коммерческими чернилами PEDOT:PSS после их фильтрации. Это водная дисперсия проводящего полимера.
    3. Распечатайте дизайн на подложке.
      1. При использовании тату-бумаги и текстиля, которые обладают умеренно-высокой поверхностной энергией и поглощающими свойствами соответственно, печатают с интервалом между каплями ~20 мкм.
      2. Печатайте несколько слоев PEDOT:PSS либо последовательно, либо путем применения процесса сушки (110 °C в течение 15 минут) между слоями для создания однородного и непрерывного проводящего рисунка.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Это особенно необходимо в случае текстильных электродов, где 3D-подобная структура текстиля требует большего содержания чернил для создания непрерывного проводящего пути внутри ткани.
    4. Высушите электрод при 110 °C в течение 15 мин в духовке до полного испарения растворителя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Электроды, полученные на текстильной, ПЭТ и тату-бумаге (рисунок 1A-C) путем печати нескольких устройств за один прогон (рисунок 1D), теперь можно хранить в закрытой, чистой и сухой среде, прежде чем переходить к следующим шагам.
  3. Изготовление внешних разъемов
    1. Электроды для татуировок
      1. Вырежьте прямоугольный кусок полиэтиленнафталатной (PEN) подложки (8 мм x 12 мм, толщина 1,3 мм).
      2. Печать прямоугольного дизайна (3 мм x 12 мм) с тремя слоями PEDOT:PSS поверх подложки.
      3. Высушите напечатанный образец в духовке при 110 °C в течение 15 мин.
      4. Ламинируйте соединение PEN на электрод татуировки, при этом прямоугольные части PEDOT: PSS обращены друг к другу.
      5. Вырежьте отверстие (диаметр 11,3 мм) в бумаге для татуировки клеевым листом. Выровняйте это отверстие клеевого листа с круговой чувствительной частью электрода татуировки PEDOT:PSS. Добавьте кусок полиимидной ленты (см. Таблицу материалов) на свободный конец соединения PEN.
    2. Электроды из текстильной и пластиковой фольги
      1. Прикрепите кусок проводящей ленты (например, медную ленту) вокруг прямоугольного печатного соединения для получения прочного и стабильного соединения.
      2. Подключите контактный разъем pogo к медной ленте и подключите контакт pogo к системе записи.
  4. Перенос электродов татуировки
    1. Снимите клеевой вкладыш. Нанесите татуировку на нужный участок кожи.
    2. Смочите заднюю опорную бумагу, удерживая татуировку в нужном положении. Как только задняя опорная бумага пропитается, сдвиньте ее, чтобы удалить ее, оставив на коже только электрод, изготовленный из переносимой ультратонкой пленки.
    3. Подключите плоский контакт PEN к внешнему блоку сбора. См. раздел 1.3.
  5. Позиционирование текстильных электродов
    1. Поместите электрод на кожу. С помощью тканевого спортивного браслета или медицинской ленты удерживайте электрод в стабильном контакте с кожей, чтобы обеспечить качественную запись сигнала во время движения.
  6. Выполните нужную поверхностную электрофизиологическую запись. Смойте электроды татуировки после записей, потерев их мокрой губкой.

2. Определение характеристик электродов с помощью электрохимической импедансной спектроскопии

  1. Измерение на теле
    1. Убедитесь, что волонтер удобно сидит, положив руку на стол в состоянии покоя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чистка кожи или скрабирование не требуется.
  2. Размещение электродов
    1. Поместите один электрод на кожу и подключите его к рабочему электродно-чувствительному электроду (WE-S) EIS.
    2. Поместите еще один электрод на расстоянии 3 см от первого и подключите его к встречному электроду (CE) EIS.
    3. Поместите третий электрод на колено и подключите его к электроду сравнения (RE) EIS. См. рисунок 2А для настройки трех электродов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Электроды, подключенные к CE и RE EIS, могут быть как электродами Ag/AgCl, так и изготовлены из PEDOT:PSS, как в случае с WE в данном исследовании.
  3. Начните запись на потенциостате EIS. Подайте ток между счетчиком и рабочими электродами. Измерьте потенциальную вариацию в эталонной и сенсорной паре.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Соединение татуировки и текстильного электрода с системой сбора может быть выполнено с помощью зажима для формирования стабильного электрического соединения с кабелями потенциостата. Выходное сопротивление, рассчитанное на каждой частоте, состоит из двух вкладов: импеданса кожи и контактного импеданса кожи-электрода.

3. Поверхностные электрофизиологические записи

ПРИМЕЧАНИЕ: В следующем разделе описывается размещение электродов для каждого интересующего биосигнала. После того, как электроды правильно размещены и хорошо прикреплены к коже, их можно подключить к портативной системе сбора для запуска записи. Видеоконтент данной статьи показывает пример электрофизиологического мониторинга с использованием коммерчески доступных электродов Ag/AgCl и портативного электронного блока.

  1. Для ЭКГ примите носимую конфигурацию с двумя или тремя (один используется в качестве заземляющего) электрода. Поместите электроды в несколько областей тела (например, грудь, запястья, ребра) с минимальным межэлектродным расстоянием 6 см, чтобы получить заметный сигнал.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Классическое расположение влечет за собой размещение двух электродов на левой и правой ключицах; в этом случае заземляющий электрод может быть размещен на левом подвздошном гребне.
  2. Для регистрации мышечной электрической активности (ЭМГ) поместите электроды вдоль интересующей мышцы (например, на бицепс или икру). Поместите заземленный электрод в статическое место, такое как соседняя кость.
  3. Для регистрации электрической активности мозга (ЭЭГ) поместите электроды в нескольких местах на голове.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Удобными местами являются лоб и вокруг наружных ушей. Может потребоваться опорный электрод, как правило, за ухом на сосцевидной кости.
  4. Для измерения электродермальной активности (EDA) поместите два электрода на ладонь левой руки. Выполняйте запись, когда субъект находится в состоянии покоя или выполняет физические упражнения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Сопротивление кожи может быть измерено по всей поверхности тела (например, ребра, на спине, на подошве стопы); достаточное межэлектродное расстояние 6 см обеспечивает хороший мониторинг.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В данной работе показано изготовление удобных контактирующих с кожей электродов методом струйной печати и метод их характеристики и выполнения электрофизиологических записей. Мы сообщили о этапах изготовления струйной печати PEDOT: PSS непосредственно на различных подложках, таких как ткань (рисунок 1A), PEN (рисунок 1B) и бумага для татуировок (рисунок 1C, D) для справки. Предлагаемые конструкции на этапе 1.2.1 протокола. и этап 1.3.1.5. определить круговую зону зондирования 1см2 для сравнения электродов с современным Ag / AgCl, в основном принятым в клиниках.

Чтобы охарактеризовать работу электродов, их импедансы измеряли с помощью трехэлектродной установки EIS (рисунок 2A,B). Этот метод позволяет исследовать сопротивление кожи-электрода при выполнении измерений на теле с электродами, размещенными на руке. В качестве примера, репрезентативное сопротивление текстильных электродов указано на рисунке 2C, где модуль импеданса указан на графике Боде. Текстильные электроды демонстрируют немного более высокие, но сопоставимые импедансы, чем электроды Ag / AgCl, золотой стандарт в электрофизиологии. Форма модуля импеданса (фиг.2C) указывает на несколько более высокое резистивное поведение в случае текстильных электродов, тогда как стандартный Ag/AgCl демонстрирует типичное резистивно-емкостное поведение24. Все три типа электродов, татуировки, текстиль и тонкая фольга, были изучены с помощью EIS, что позволило охарактеризовать их интерфейс с кожей25.

Размещая электроды на коже в различных областях тела, как показано на рисунке 3, мы имеем доступ к нескольким биосигналам (например, ЭЭГ, ЭКГ, ЭМГ и ЭДА). Биосигнальные записи могут быть легко получены путем подключения электродов к соответствующим портативным или лабораторным приборам. На фиг.3А показана трассировка ЭЭГ - регистрация электрической активности популяций активных нейронов. Одной из основных групп мозговых волн являются альфа-волны (8-13 Гц). Альфа-волны отражают состояние мозга при расслаблении и могут быть вызваны, попросив субъекта закрыть глаза26. Серая вертикальная пунктирная линия (рисунок 3А) отмечает момент в записи, когда добровольца попросили открыть глаза. В трассировке ЭКГ на рисунке 3B поляризация и деполяризация предсердий и желудочков сердца представлены характеристической картиной, состоящей из волны P, комплекса QRS и волны T27. На рисунке 3B комплекс QRS идентифицируется, а пики R показывают самую высокую амплитуду и используются для расчета частоты сердечных сокращений, учитывая время между двумя последовательными.

На рисунке 3C показана трассировка ЭМГ, в то время как доброволец постепенно увеличивал силу мышц рук. Усиленная мышечная активность количественно определяется увеличенной амплитудой пиков напряжения. При трассировке ЭМГ всплески с амплитудой от нескольких микровольт до нескольких милливольт в диапазоне частот 10-1000 Гц отражают активность мышечного волокна, обусловленную потенциалами действия двигательного блока. На рисунке 3D показана трассировка EDA, обычно состоящая из тонизирующих и фазовых компонентов. Тонизирующий компонент отражает уровень проводимости кожи и соответствует фоновому сигналу. Фазовый компонент отражает реакцию субъекта на конкретный раздражитель и обнаруживается по изменению значения проводимости кожи28. Эта трассировка используется для оценки уровня стресса человека и гидратации организма.

Figure 1
Рисунок 1: PEDOT: электроды со струйной печатью PSS. Электроды, напечатанные на (A) 100% хлопчатобумажной ткани, (B) ПЭТ-фольге и (C) временной тату-бумаге. (D) Фотография струйного принтера при печати нескольких электродов PEDOT:PSS на подложке из тату-бумаги. Сокращения: ПЭТ = полиэтилентерефталат; PEDOT:PSS = поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиренсульфонат). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Измерения ЭИС. (А) Схема конфигурации электродов для измерения ЭИС на теле; рабочий электрод размещается на расстоянии 3 см друг от друга электрода счетчика Ag/AgCl; ссылка Ag/AgCl размещается на локте добровольца. (B) Схема трехэлектродной установки для измерения ЭИС на коже. Между счетчиком и рабочими электродами подается ток, а напряжение измеряется между опорным и сенсорным электродами. (C) Модуль импеданса Ag/AgCl и PEDOT:PSS-ионные жидкие гелевые текстильные электроды (голубая и зеленая кривые, соответственно). Импеданс измерялся с помощью трехэлектродной установки на руке. Эта цифра была изменена по сравнению с Бихаром и др.21. Сокращения: EIS = электрохимическая импедансная спектроскопия; CE = встречный электрод; WE = рабочий электрод; RE = электрод сравнения; S = чувствительный электрод; PEDOT: PSS = поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиренсульфонат). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Схема позиционирования корпуса электрода с соответствующими электрофизиологическими трассировками записи. (А) Трассировка ЭЭГ. Пунктирная вертикальная линия указывает на переход из состояния с альфа-волнами в состояние без, что совпадает с тем, когда добровольца попросили открыть глаза. (B) Отслеживание ЭКГ. Верхние пики представляют пики R, которые принадлежат к комплексу QRS. (C) Отслеживание ГРП. Мышечная активность представлена сигналом напряжения, амплитуда которого увеличивается с увеличением активности мышцы, вызванной добровольцем. (D) Отслеживание ЭДА. В течение первых 2 с сигнал представляет собой тонический компонент, в то время как его последующее увеличение амплитуды указывает на фазовую составляющую, которая отражает реакцию добровольца на стимул. Все записи были выполнены электродами Ag/AgCl на здоровом добровольце. Сокращения: ЭЭГ = электроэнцефалография; ЭКГ = электрокардиография; ЭМГ = электромиография; ЭДА = электродермальная активность. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок S1: Схема слоистой структуры тату-бумаги. Подкладочный бумажный лист поддерживает съемную нанопленку, изготовленную из смеси полиуретана и других полимеров. Два водорастворимых слоя поливинилового спирта (ПВА) покрывают обе стороны пленки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этой статье описывается простой и масштабируемый процесс изготовления носимых электродов и демонстрируется метод регистрации электрофизиологических биосигналов. Он использует три примера носимых подложек, таких как татуировка, текстиль и тонкие пленки. Он знакомит с тем, как построить датчик на этих подложках и охарактеризовать его производительность до его применения. Чтобы сделать электроды здесь, мы использовали PEDOT: PSS, проводящий полимер, который выделяется из проводников на основе металла благодаря своей экономической эффективности, универсальной технологичности, биосовместимости, мягкости и устойчивости для его совместимости с зеленой обработкой29. PEDOT: PSS на готовых подложках было достигнуто с помощью метода струйной печати, который позволяет точно контролировать осаждение чернил со свободой проектирования (рисунок 1).

Струйная печать - это бесконтактный метод, который позволяет селективно функционализировать гибкие и нетрадиционные подложки, которые химически и физически несовместимы с традиционными процессами микропроизводства фотолитографии. По сравнению с трафаретной печатью, другой техникой, часто используемой для изготовления электродов, струйная печать не требует масок, что приводит к снижению отходов чернил и простой настройке30. Струйная технология строго контролирует толщину путем многослойного осаждения (струйная печать: <1 мкм против экрана: >невелико мкм). Действительно, при печати на тату-бумаге (рисунок 1D) одного печатного слоя PEDOT:PSS (толщина 240 нм ± 30 нм) достаточно, чтобы получить однородную проводящую пленку (рисунок 1C), с субмикрометровой толщиной, которая естественным образом самостоятельно прилипает к коже после ее ругости31. Однако при печати на тканях чернила падают на 3D-пористые структуры, созданные трикотажными или волнистыми нитями (рисунок 1А). Несколько слоев необходимы для получения электрического соединения между волокнами с покрытием, функционализируя текстильное вещество контролируемым и настраиваемым образом32.

При печати на новых и нетипичных подложках крайне важно найти оптимальное количество печатных слоев, учитывая компромисс между производительностью и скоростью процесса изготовления. При изготовлении текстильных электродов необходимо уделять внимание сохранению подложки плоской во время печати (см. раздел протокола 1.3.). Поэтому стратегия печати должна учитывать оптимизацию печатного макета при многослойном напылении и возможность выравнивания при напылении последовательных материалов.

Однако важно отметить некоторые ограничения этих электродов и их изготовления. Текстильным электродам могут потребоваться дополнительные этапы печати гелевого электролита. Было продемонстрировано, что он играет ключевую роль в снижении контактного импеданса кожи с электродом, обеспечивая тем самым высококачественные записи биосигнала33 Кроме того, моющаяся способность текстильных носимых датчиков является критическим аспектом при обеспечении полной интеграции в одежду. Физико-химические свойства текстильной подложки и проводящих полимерных чернил влияют на соответствие конечного устройства циклам стирки. Поэтому следует исчерпывающе изучить вышеупомянутый аспект, чтобы в полной мере оценить их долгосрочную эффективность.

При изготовлении датчика татуировки деликатным шагом является поиск наилучшей электрической взаимосвязи между датчиком татуировки и системой сбора (см. раздел протокола 1.3.). Действительно, технология татуировки завоевала интерес благодаря тонкопленочному формату, который делает электроды татуировки незаметными. Поэтому их манипуляции требуют особой осторожности при механическом воздействии, особенно на соединительную часть. Также важно помнить о механизме переноса татуировок на кожу, который требует смачивания поддерживающей бумаги водой. Хотя этот метод прост, любой резкий контакт между водой и уже перенесенным датчиком татуировки расслабит последний. В то время как конформность ультратонких татуировок является ключевым преимуществом для носимых технологий, уязвимость к воде и механическим воздействиям сужает срок работы датчика татуировки до пары дней.

Когда вводится новый тип электрода, EIS помогает обеспечить первичную оценку производительности электрода по сравнению с эталоном (электроды Ag / AgCl), прежде чем двигаться вперед с применением. В разделе 2 протокола описываются измерения EIS изготовленных электродов при непосредственном размещении на теле человека, чтобы получить представление о том, как они электрически связаны с кожей. Трехэлектродная конфигурация (рисунок 2A,B) оценивает способность передачи сигнала через интерфейс кожа-электрод. Новый электрод, подлежащий исследованию, подключен к WE и S EIS. Два других электрода используются в качестве CE и RE. ЭИС выполняется в потенциостатическом режиме, где между CE и WE подается небольшой (0,1 В) синусоидальный ток (0,1-100 Гц), в то время как изменение потенциала измеряется по паре RE-S. Затем импеданс вычисляется на каждой частоте. Измеренный импеданс состоит из двух вкладов: кожного импеданса и контактного импеданса кожи-электрода.

Емкостное и резистивное поведение электрода определено на графиках EIS (рисунок 2C). Разработав эквивалентные схемы, соответствующие экспериментальным данным, можно понять, как электрод преобразует биосигналы и какой интерфейс он устанавливает с кожей34. В то время как электроды для татуировок сухие и прилипшие к коже, их импедансы немного отличаются от стандартных гелеобразных электродов Ag / AgCl. Наличие гелевого интерфейса между кожей и электродом способствует трансдукции сигнала и снижает контактное сопротивление.

Механическая прочность является еще одной ключевой характеристикой носимых устройств. Было продемонстрировано, что текстильные электроды PEDOT:PSS выдерживают напряжение растяжения33. В сочетании с печатными ионными жидкими гелями они обеспечивают стабильный электрический контакт с кожей и механическую прочность в носимых условиях. Растяжимость, мягкость и структурная пористость, которые дают возможность пропускать пот из-за контакта с человеческим телом, приводят к тому, что этот тип электрода является наиболее подходящей технологией для носимой электроники. Опять же, взаимосвязь с электронными системами остается деликатной. Поэтому эти системы могут быть непосредственно нанесены в ткань.

Окончательная проверка кожных датчиков может быть выполнена только на объектах. Кожные датчики обусловлены изменчивостью кожи между субъектами и различными динамическими факторами и условиями окружающей среды, которые непосредственно влияют на их работоспособность. Здесь мы продемонстрировали, как получить значимые трассировки ЭЭГ, ЭКГ, ЭМГ и ЭДА с помощью полностью портативной платформы. Размещение электродов играет важную роль в получении достоверной и точной информации во время мониторинга. Анализ записей, показанных на рисунке 3, может подтвердить способность электрода в электрофизиологических записях и получить ценные результаты мониторинга тела. Способность записи варьируется от чрезвычайно слабой нейронной активности (рисунок 3A) до мощных мышечных сокращений (рисунок 3C).

На рисунках 3B и 3D сердечная деятельность и электродермальные реакции демонстрируют разрешающую способность и чувствительность изготовленных электродов. Запись биосигнала предоставляет полезные данные о здоровье организма пользователя, производительности в определенных условиях и реакции на конкретные внутренние или внешние раздражители, расширяя их применение для различных биомедицинских исследований. Существует несколько портативных электронных интерфейсов для получения биосигналов, таких как ЭКГ, ЭМГ, ЭЭГ и ЭДА. Примерами являются портативные микросхемы усилителей электрофизиологии RHD2216 от Intan Technologies, носимый Shimmer, устройство DueLite от OT Bioelettronica, беспроводное устройство PLUX в расширенной версии (названное Biosignal PLUX) или версия DIT (названная BITalino).

В заключение, несколько датчиков могут быть изготовлены с помощью представленных протоколов для различных приложений мониторинга здоровья. Например, многоэлектродные массивы PEDOT: PSS на основе татуировок (MEAs) были успешно использованы для ЭМГ лица, поскольку они не ухудшают естественные движения лица и позволяют записывать биосигналы без изменений25,35. Однако тонкие и растягивающиеся электроды были изготовлены методом струйной печати PEDOT:PSS на недорогой, растягивающейся подложке для колготок, получая высококачественные записи ЭКГ, как в условиях покоя, так и в условиях движения, с минимальным дискомфортом для пользователя33. С помощью этого протокола мы получили мягкие, конформные и удобные датчики кожи за счет рисунка проводящих чернил на готовых подложках. Струйная печать — это недорогой и масштабируемый метод, который отличается от традиционных процессов микроэлектронного изготовления. Предлагаемый метод описывает, как получить электрофизиологические сигналы, которые варьируются от слабой нейронной активности до силовых мышечных сокращений. Эти сигналы позволяют получить представление о физиологическом состоянии организма пользователя. В целом, мы представляем первые шаги по созданию бесшовных носимых электронных устройств для различных биомедицинских применений, которые простираются от фитнеса до мониторинга здравоохранения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Французским национальным исследовательским агентством в рамках проекта ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). Он также получил финансирование от исследовательской и инновационной программы Европейского союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри No 813863. E.I. благодарит сотрудников CMP в Центре микроэлектроники в Провансе за их техническую поддержку во время разработки проекта.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kim, J., et al. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system. ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).
  2. 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).
  3. Kim, D. H., et al. Epidermal electronics. Science. 333 (6044), 838-843 (2011).
  4. Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).
  5. Windmiller, J. R., et al. Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos. Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Wang, Y., et al. Electrically compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiology at scale. Science Advances. 6 (43), (2020).
  10. Fan, W., et al. Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring. Science Advances. 6 (11), (2020).
  11. 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).
  12. Magliulo, M., et al. Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices. Journal of Materials Chemistry C. 3 (48), 12347-12363 (2015).
  13. 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).
  14. Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499 (7459), 458-463 (2013).
  15. Kim, D. H., et al. Optimized structural designs for stretchable silicon integrated circuits. Small. 5 (24), 2841-2847 (2009).
  16. 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).
  17. Martin, D. C., Malliaras, G. G. Interfacing electronic and ionic charge transport in bioelectronics. ChemElectroChem. 3 (5), 686-688 (2016).
  18. Inzelberg, L., Hanein, Y. Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship. Frontiers in Neuroscience. 12, 992 (2019).
  19. Kim, J., Campbell, A. S., de Ávila, B. E. F., Wang, J. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).
  20. 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).
  21. Bihar, E., et al. Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography. Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004 (2018).
  22. Seekaew, Y., et al. Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection. Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).
  23. 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).
  24. Searle, A., Kirkup, L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).
  25. Ferrari, L. M., et al. Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology. Advanced Science. 5 (3), 1700771 (2018).
  26. Teplan, M. Fundamental of EEG measurement. Measurement Science Review. 2 (2), 1-11 (2002).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Bonnassieux, Y., et al. The 2021 flexible and printed electronics roadmap. Flexible and Printed Electronics. 6, 023001 (2022).
  31. Nawrocki, R. A. Super- and ultrathin organic field-effect transistors: from flexibility to super- and ultraflexibility. Advanced Functional Materials. 29 (51), 1-12 (2019).
  32. 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).
  33. Bihar, E., et al. Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology. Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251 (2017).
  34. 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).
  35. 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).

Tags

Биоинженерия Выпуск 185 Электрофизиология поверхности носимые устройства струйная печать PEDOT:PSS татуировка текстиль
Совместимые носимые электроды: от изготовления до электрофизиологической оценки
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Galliani, M., Ferrari, L. M.,… More

Galliani, M., Ferrari, L. M., Ismailova, E. Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment. J. Vis. Exp. (185), e63204, doi:10.3791/63204 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter