Overensstemmende bærbare elektroder: Fra fabrikation til elektrofysiologisk vurdering

Summary

To nylige teknologier – tatovering og tekstiler – har vist lovende resultater i kutan sensing. Her præsenterer vi fremstillings- og evalueringsmetoderne for tatoverings- og tekstilelektroder til kutan elektrofysiologisk sansning. Disse elektroniske grænseflader lavet af ledende polymerer overgår de eksisterende standarder med hensyn til komfort og følsomhed.

Abstract

Bærbare elektroniske enheder bliver nøgleaktører i overvågningen af kroppens signaler, der overvejende ændres under sporing af fysisk aktivitet. I betragtning af den stigende interesse for telemedicin og personlig pleje drevet af fremkomsten af tingenes internet-æra har bærbare sensorer udvidet deres anvendelsesområde til sundhedsvæsenet. For at sikre indsamling af klinisk relevante data skal disse anordninger etablere overensstemmende grænseflader med den menneskelige krop for at levere optagelser af høj signalkvalitet og langvarig drift. Til dette formål præsenterer dette papir en metode til let at fremstille konforme tynde tatoverings- og bløde tekstilbaserede sensorer til deres anvendelse som bærbare organiske elektroniske enheder i et bredt spektrum af overfladeelektrofysiologiske optagelser.

Sensorerne er udviklet gennem en omkostningseffektiv og skalerbar proces med kutan elektrodemønster ved hjælp af poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrenesulfonat) (PEDOT:PSS), den mest populære ledende polymer i bioelektronik, på off-the-shelf, bærbare substrater. Dette papir præsenterer vigtige trin i elektrodekarakterisering gennem impedansspektroskopi for at undersøge deres ydeevne i signaltransduktion, når de kombineres med huden. Sammenlignende undersøgelser er nødvendige for at placere nye sensorers ydeevne i forhold til den kliniske guldstandard. For at validere de fremstillede sensorers ydeevne viser denne protokol, hvordan man udfører forskellige biosignaloptagelser fra forskellige konfigurationer gennem en brugervenlig og bærbar elektronisk opsætning i et laboratoriemiljø. Dette metodepapir vil muliggøre flere eksperimentelle initiativer til at fremme den nuværende state of the art inden for bærbare sensorer til overvågning af menneskekroppens sundhed.

Introduction

Ikke-invasiv biopotentiel registrering udføres gennem hudkontaktelektroder, der giver en enorm mængde data om den menneskelige krops fysiologiske status i fitness og sundhedspleje¹. Nye typer bærbare bioovervågningsenheder er blevet udviklet fra de nyeste teknologiske fremskridt inden for elektronik gennem nedskalering af integrerede styrings- og kommunikationskomponenter til bærbare dimensioner. Smarte overvågningsenheder gennemsyrer markedet dagligt og tilbyder flere overvågningsfunktioner med det ultimative mål at levere tilstrækkeligt fysiologisk indhold til at muliggøre medicinsk diagnostik². Derfor udgør sikre, pålidelige og robuste grænseflader med menneskekroppen kritiske udfordringer i udviklingen af legitime bærbare teknologier til sundhedsvæsenet. Tatoverings- og tekstilelektroder har for nylig vist sig som pålidelige og stabile grænseflader, der opfattes som innovative, komfortable enheder til bærbar biosensing ^3,4,5.

Tatoveringssensorer er tørre og tynde grænseflader, der på grund af deres lave tykkelse (~ 1 μm) sikrer klæbefri, konform hudkontakt. De er baseret på et kommercielt tilgængeligt tatoveringspapirsæt sammensat af en lagdelt struktur, som tillader frigivelse af et ultratyndt polymert lag på huden⁶. Den lagdelte struktur giver også mulighed for nem håndtering af det tynde polymere lag under sensorens fremstillingsproces og dens overførsel til huden. Den endelige elektrode er fuldt konform og næsten umærkelig for bæreren. Tekstilsensorer er elektroniske enheder opnået ved stoffunktionalisering med elektroaktive materialer⁷. De er hovedsageligt integreret eller simpelthen syet i tøj for at sikre brugerens komfort på grund af deres blødhed, åndbarhed og tydelige affinitet med beklædningsgenstande. I næsten et årti er tekstil- og tatoveringselektroder blevet vurderet i overfladeelektrofysiologiske optagelser ^3,8,9, hvilket viser gode resultater både i bærbarhed og signalkvalitetsoptagelser og rapportering af højt signal-støj-forhold (SNR) i kort- og langsigtede evalueringer. De er også udtænkt som en potentiel platform for bærbar biokemisk svedanalyse ^1,10.

Den stigende interesse for tatoverings-, tekstil- og generelt fleksible tyndfilmsteknologier (f.eks. dem, der er fremstillet af plastfolier såsom parylen eller forskellige elastomerer) fremmes hovedsageligt af kompatibiliteten med billige og skalerbare fremstillingsmetoder. Serigrafi, inkjetudskrivning, direkte mønster, dyppebelægning og frimærkeoverførsel er blevet vedtaget med succes for at producere sådanne former for elektroniske grænseflader¹¹. Blandt disse er inkjetudskrivning den mest avancerede digitale og hurtige prototypeteknik. Det anvendes hovedsageligt til mønsteret af ledende blæk på en ikke-kontakt, additiv måde under omgivelsesforhold og på et stort udvalg af substrater¹². Selvom flere bærbare sensorer er blevet fremstillet gennem ædelmetalblækmønster¹³, er metalfilm sprøde og gennemgår revner, når de er mekanisk stressede. Forskellige forskergrupper har vedtaget forskellige strategier for at udstyre metaller med egenskaben af mekanisk kompatibilitet med huden. Disse strategier omfatter reduktion af filmtykkelsen og anvendelse af serpentindesign eller rynkede og forspændte underlag 14,15,16. Bløde og iboende fleksible ledende materialer, såsom ledende polymerer, fandt deres anvendelse i fleksible bioelektroniske enheder. Deres polymere fleksibilitet kombineres med elektrisk og ionisk ledningsevne. PEDOT:PSS er den mest anvendte ledende polymer i bioelektronik. Det er kendetegnet ved blødhed, biokompatibilitet, bæredygtighed og trykprocesabilitet¹⁷, hvilket gør det kompatibelt med den udbredte produktion af biomedicinsk udstyr.

Enheder, såsom plane elektroder, der er forbundet til et anskaffelsessystem, tillader registrering af biopotentialer i sundhedsovervågning. Menneskets kropsbiopotentialer er elektriske signaler genereret af elektrogene celler, der formerer sig gennem kroppen op til hudoverfladen. I henhold til hvor elektroderne er placeret, er det muligt at erhverve data relateret til hjernens elektriske aktivitet (EEG), muskler (EMG), hjerte (EKG) og hudledningsevne (f.eks. Bioimpedans eller elektrodermal aktivitet, EDA). Kvaliteten af dataene vurderes derefter for at evaluere elektrodernes anvendelighed i kliniske applikationer. En høj SNR definerer deres præstation¹⁸, som typisk sammenlignes med state-of-the-art Ag / AgCl elektrodeoptagelser. Selvom Ag / AgCl-elektroderne også har høj SNR, mangler de langsigtet operationalitet og konform bærbarhed. Biosignaloptagelser af høj kvalitet giver indsigt i menneskers sundhedsstatus relateret til et bestemt organs funktion. Disse fordele ved komfortable tatoverings- eller tekstilgrænseflader indikerer således deres løfte om langsigtede applikationer, der kan muliggøre mobil sundhedsovervågning i det virkelige liv og bane vejen for udviklingen af telemedicin¹⁹.

Dette papir rapporterer, hvordan man fremstiller og vurderer tatoverings- og tekstilelektroder i sundhedsbioovervågning. Efter fremstillingen skal en ny elektrode karakteriseres. Typisk vedtages elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) for at studere elektrodens elektriske ydeevne i forhold til en målgrænseflade (f.eks. Hud) med hensyn til overførselsfunktionen. EIS bruges til at sammenligne impedansegenskaberne for flere elektroder og udføre test under forskellige forhold (f.eks. variere elektrodedesignet eller studere langsigtede reaktioner). Dette papir viser optagelsen af overfladebiosignaler gennem en nem opsætning og rapporterer en brugervenlig metode til registrering af forskellige typer biosignaler, der gælder for enhver ny fremstillet elektrode, der skal valideres til kutane biopotentielle optagelser.

Protocol

BEMÆRK: Eksperimenter, der involverede mennesker, involverede ikke indsamling af identificerbare private oplysninger relateret til individets sundhedsstatus og bruges kun her til teknologisk demonstration. Data blev i gennemsnit over tre forskellige emner. De elektrofysiologiske optagelser er udtrukket fra tidligere offentliggjorte data 6,21. 1. Inkjet-trykt PEDOT: PSS elektrodefabrikation BE…

Representative Results

Dette papir viser fremstillingen af komfortable hudkontaktelektroder ved inkjetudskrivning og en metode til at karakterisere dem og udføre elektrofysiologiske optagelser. Vi rapporterede fremstillingstrinnene i PEDOT: PSS inkjetudskrivning direkte på forskellige underlag, såsom stof (figur 1A), PEN (figur 1B) og tatoveringspapir (figur 1C, D) til reference. De foreslåede design i protokoltrin 1.2.1. og trin 1.3….

Discussion

Dette papir beskriver en nem og skalerbar proces til fremstilling af bærbare elektroder og demonstrerer en metode til registrering af elektrofysiologiske biosignaler. Det bruger tre eksempler på bærbare underlag, såsom tatovering, tekstil og tynde film. Det introducerer, hvordan man bygger en sensor på disse underlag og karakteriserer dens ydeevne inden dens anvendelse. For at fremstille elektroderne her anvendte vi PEDOT:PSS, en ledende polymer, der skiller sig ud fra metalbaserede ledere på grund af sin omkostnin…

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