コンフォーマブルウェアラブル電極:製造から電気生理学的評価まで
Summary
タトゥーとテキスタイルという最近の2つの技術は、皮膚センシングにおいて有望な結果を示しています。ここでは、皮膚電気生理学的センシングのためのタトゥーおよび繊維電極の作製および評価方法を提示する。導電性ポリマーで作られたこれらの電子インターフェースは、快適性と感度の点で既存の規格を凌駕します。
Abstract
ウェアラブル電子機器は、身体活動の追跡中に主に変化する身体信号を監視する上で重要なプレーヤーになりつつあります。モノのインターネット時代の台頭によって遠隔医療とパーソナライズされたケアへの関心が高まっていることを考慮すると、ウェアラブルセンサーは医療への応用分野を拡大しました。臨床的に関連するデータの収集を確実にするために、これらのデバイスは、高信号品質の記録と長期的な動作を提供するために、人体との適合可能なインターフェースを確立する必要があります。この目的のために、本稿では、ウェアラブル有機電子デバイスとして幅広い表面電気生理学的記録における応用のために、順応性のある薄い入れ墨およびソフトテキスタイルベースのセンサを容易に製造する方法を提示する。
これらのセンサは、バイオエレクトロニクスで最も人気のある導電性高分子であるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT:PSS)を既製のウェアラブル基板上で使用して、費用対効果が高くスケーラブルな皮膚電極パターニングプロセスを通じて開発されています。このホワイトペーパーでは、インピーダンス分光法による電極特性評価における重要なステップを示し、皮膚と結合させたときのシグナル伝達における性能を調査します。臨床のゴールドスタンダードに関して新しいセンサーの性能を位置づけるためには、比較研究が必要です。製造されたセンサーの性能を検証するために、このプロトコルは、実験室環境でユーザーフレンドリーでポータブルな電子セットアップを通じて、さまざまな構成からさまざまな生体信号記録を実行する方法を示しています。この方法の論文は、人体の健康モニタリングのためのウェアラブルセンサーの現在の最先端を前進させるための複数の実験的イニシアチブを可能にするでしょう。
Introduction
非侵襲的な生体電位記録は、皮膚接触電極を介して行われ、フィットネスおよびヘルスケアにおける人体の生理学的状態に関する膨大な量のデータを提供する1。新しいタイプのウェアラブルバイオモニタリングデバイスは、エレクトロニクスにおける最新の技術進歩から、統合された制御および通信コンポーネントのポータブル寸法へのダウンスケーリングまで開発されました。スマート監視装置は日々市場に普及しており、複数の監視機能を提供し、医療診断を可能にするのに十分な生理学的コンテンツを提供することを最終目標としています2。したがって、人体との安全で信頼性が高く、堅牢なインターフェースは、医療のための合法的なウェアラブル技術の開発において重大な課題を提示します。タトゥーとテキスタイル電極は、ウェアラブルバイオセンシングのための革新的で快適なデバイスとして認識される信頼性が高く安定したインターフェースとして最近登場しました3,4,5。
タトゥーセンサーは乾燥した薄いインターフェースで、厚さが低い(約1μm)ため、接着剤フリーで順応性のある皮膚接触を保証します。これらは、層状構造からなる市販のタトゥーペーパーキットに基づいており、これは、皮膚6上の超薄型ポリマー層の放出を可能にする。層状構造により、センサーの製造プロセスおよび皮膚への転写中に薄いポリマー層を簡単に処理できます。最終的な電極は完全に順応性があり、着用者にはほとんど知覚できません。繊維センサは、電気活性材料7による布帛機能化から得られる電子機器である。それらは主に、柔らかさ、通気性、および衣服との明らかな親和性のためにユーザーの快適さを確保するために、衣服に統合または単に縫い付けられている。ほぼ10年間、テキスタイルおよびタトゥー電極は、表面電気生理学的記録3、8、9で評価され、ウェアラビリティおよび信号品質記録の両方で良好な結果を示し、短期および長期評価において高い信号対雑音比(SNR)を報告してきた。彼らはまた、ウェアラブルな生化学的汗分析のための潜在的なプラットフォームとして考えられている1,10。
入れ墨、テキスタイル、および一般に、柔軟な薄膜技術(例えば、パリレンまたは異なるエラストマーなどのプラスチック箔で作られたもの)への関心の高まりは、主に低コストでスケーラブルな製造方法との互換性によって促進される。スクリーン印刷、インクジェット印刷、直接パターニング、ディップコーティング、およびスタンプ転写は、このような種類の電子インターフェース11を製造するために首尾よく採用されている。これらの中で、インクジェット印刷は、最も先進的なデジタルおよび高速プロトタイピング技術です。これは主に、周囲条件下で、および多種多様な基材12上に非接触で付加的な様式で導電性インクのパターニングに適用される。貴金属インクパターニング13を介して複数のウェアラブルセンサが作製されているが、金属膜は脆く、機械的に応力を受けると割れを受ける。異なる研究グループは、金属に皮膚との機械的適合性の特性を与えるために異なる戦略を採用している。これらの戦略には、膜厚を薄くすること、および蛇行したデザインまたはしわのあるおよび予め延伸された基材を使用することが含まれる14、15、16。導電性ポリマーなどの柔らかく本質的に柔軟な導電性材料は、柔軟なバイオエレクトロニクスデバイスにおけるそれらの用途を見出した。それらのポリマーの柔軟性は、電気およびイオン伝導性と組み合わされる。PEDOT:PSSは、バイオエレクトロニクスで最も使用されている導電性ポリマーです。柔らかさ、生体適合性、持続可能性、および印刷加工性17によって特徴付けられ、生物医学的デバイスの広範な生産と互換性があります。
取得システムに接続された平面電極などのデバイスは、健康モニタリングにおける生体電位の記録を可能にします。人体の生体電位は、電気発生細胞によって生成された電気信号であり、体内を通って皮膚表面まで伝播する。電極が配置される場所に応じて、脳の電気的活動(EEG)、筋肉(EMG)、心臓(ECG)、および皮膚伝導率(例えば、生体インピーダンスまたは電気皮膚活動、EDA)に関連するデータを取得することができる。次に、データの品質を評価して、臨床アプリケーションにおける電極の使いやすさを評価します。高いSNRは、その性能18を定義し、これは典型的には、最先端のAg/AgCl電極記録と比較される。Ag/AgCl電極も高いSNRを備えていますが、長期的な動作性と順応性に欠けています。高品質の生体信号記録は、特定の臓器の機能に関連する人間の健康状態に関する洞察を提供します。したがって、快適な入れ墨またはテキスタイルインターフェースのこれらの利点は、現実のモバイルヘルスモニタリングを可能にし、遠隔医療の開発への道を開くことができる長期アプリケーションへの有望性を示しています19。
この論文では、健康バイオモニタリングにおけるタトゥーとテキスタイル電極の製造と評価の方法を報告します。その製造後、新規な電極を特徴付けなければならない。典型的には、電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、伝達関数の観点から標的界面(例えば皮膚)に対する電極の電気的性能を研究するために採用される。EISは、複数の電極のインピーダンス特性を比較し、異なる条件(電極設計の変更や長期的な応答の研究など)でテストを実行するために使用されます。この論文は、簡単なセットアップによる表面生体信号の記録を示し、皮膚生体電位記録のために検証する必要がある新規作製電極に適用可能なさまざまな種類の生体信号を記録するためのユーザーフレンドリーな方法を報告する。
Protocol
Representative Results
Discussion
この論文では、ウェアラブル電極を製造するための簡単でスケーラブルなプロセスについて説明し、電気生理学的生体信号を記録する方法を実証する。ウェアラブル基板のタトゥー、テキスタイル、薄膜の3つの例を使用しています。これらの基板上にセンサを構築し、その性能をアプリケーションに先立って特徴付ける方法を紹介します。ここでの電極を作るために、我々は、その費用対効…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、ANR JCJC OrgTexプロジェクト(ANR-17-CE19-0010)を通じてフランス国立研究庁の支援を受けた。また、欧州連合(EU)のHorizon 2020研究・イノベーションプログラムから、マリー・スクロドフスカ・キュリー助成金協定第813863号に基づく資金提供を受けています。E.I.は、プロヴァンスのマイクロエレクトロニクスセンターのCMPクリーンルームスタッフに、プロジェクトの開発中の技術サポートに感謝します。
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).
