Совместимые носимые электроды: от изготовления до электрофизиологической оценки
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.
Protocol
Representative Results
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 постр…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
