Uyumlu Giyilebilir Elektrotlar: İmalattan Elektrofizyolojik Değerlendirmeye.
Summary
Son iki teknoloji – dövme ve tekstil – kutanöz algılamada umut verici sonuçlar göstermiştir. Burada, kutanöz elektrofizyolojik algılama için dövme ve tekstil elektrotlarının üretim ve değerlendirme yöntemlerini sunuyoruz. İletken polimerlerden yapılmış bu elektronik arayüzler, konfor ve hassasiyet açısından mevcut standartlardan daha iyi performans göstermektedir.
Abstract
Giyilebilir elektronik cihazlar, fiziksel aktivite takibi sırasında ağırlıklı olarak değiştirilen vücut sinyallerinin izlenmesinde kilit oyuncular haline geliyor. Nesnelerin İnterneti çağının yükselişiyle teletıp ve kişiselleştirilmiş bakıma olan ilginin artması göz önüne alındığında, giyilebilir sensörler uygulama alanlarını sağlık hizmetlerine genişletti. Klinik olarak ilgili verilerin toplanmasını sağlamak için, bu cihazların yüksek sinyal kalitesinde kayıtlar ve uzun süreli çalışma sağlamak için insan vücuduyla uyumlu arayüzler oluşturması gerekir. Bu amaçla, bu makale, geniş bir yüzey elektrofizyolojik kayıt yelpazesinde giyilebilir organik elektronik cihazlar olarak uygulamaları için uyumlu ince dövme ve yumuşak tekstil tabanlı sensörleri kolayca üretmek için bir yöntem sunmaktadır.
Sensörler, biyoelektronikte en popüler iletken polimer olan poli(3,4-etilendioksitiofen)-poli(stirensülfonat) (PEDOT:PSS) kullanılarak, kullanıma hazır, giyilebilir substratlar üzerinde uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir kutanöz elektrot modelleme süreci ile geliştirilmiştir. Bu yazıda, cilt ile birleştiğinde sinyal iletimindeki performanslarını araştırmak için empedans spektroskopisi yoluyla elektrot karakterizasyonunda önemli adımlar sunulmaktadır. Yeni sensörlerin performansını klinik altın standarda göre konumlandırmak için karşılaştırmalı çalışmalara ihtiyaç vardır. Üretilen sensörlerin performansını doğrulamak için bu protokol, laboratuvar ortamında kullanıcı dostu ve taşınabilir bir elektronik kurulum yoluyla farklı konfigürasyonlardan çeşitli biyosinyal kayıtlarının nasıl gerçekleştirileceğini gösterir. Bu yöntem belgesi, insan vücudu sağlığının izlenmesi için giyilebilir sensörlerdeki mevcut teknolojiyi ilerletmek için birden fazla deneysel girişime izin verecektir.
Introduction
Noninvaziv biyopotansiyel kayıt, cilt ile temas eden elektrotlar aracılığıyla gerçekleştirilir ve insan vücudunun fitness ve sağlık hizmetlerinde fizyolojik durumu hakkında çok miktarda veri sağlar1. Elektronikteki en son teknolojik gelişmelerden, entegre kontrol ve iletişim bileşenlerinin ölçeklerinin küçültülmesi yoluyla taşınabilir boyutlara indirgenmesi yoluyla yeni giyilebilir biyoizleme cihazları türleri geliştirilmiştir. Akıllı izleme cihazları her gün pazara yayılmakta ve tıbbi teşhisi mümkün kılmak için yeterli fizyolojik içerik sağlama nihai hedefiyle birden fazla izleme yeteneği sunmaktadır. Bu nedenle, insan vücudu ile güvenli, güvenilir ve sağlam arayüzler, sağlık hizmetleri için meşru giyilebilir teknolojilerin geliştirilmesinde kritik zorluklar ortaya koymaktadır. Dövme ve tekstil elektrotları son zamanlarda giyilebilir biyosensing 3,4,5 için yenilikçi, konforlu cihazlar olarak algılanan güvenilir ve istikrarlı arayüzler olarak ortaya çıkmıştır.
Dövme sensörleri, düşük kalınlıkları (~ 1 μm) sayesinde yapışkansız, uyumlu cilt teması sağlayan kuru ve ince arayüzlerdir. Bunlar, ciltte ultra ince bir polimerik tabakanın salınmasına izin veren katmanlı bir yapıdan oluşan ticari olarak temin edilebilen bir dövme kağıdı kitine dayanmaktadır6. Katmanlı yapı ayrıca sensörün üretim işlemi sırasında ince polimerik tabakanın kolay kullanılmasını ve cilde aktarılmasını sağlar. Son elektrot tamamen uyumludur ve kullanıcı tarafından neredeyse algılanamaz. Tekstil sensörleri, elektroaktif malzemelerle kumaş fonksiyonelleştirilmesinden elde edilen elektronik cihazlardır7. Yumuşaklıkları, nefes alabilirlikleri ve giysilerle belirgin yakınlıkları nedeniyle kullanıcının rahatlığını sağlamak için esas olarak kıyafetlere entegre edilir veya basitçe dikilirler. Neredeyse on yıldır, tekstil ve dövme elektrotları yüzey elektrofizyolojik kayıtlarında 3,8,9 olarak değerlendirilmiş, hem giyilebilirlik hem de sinyal kalitesi kayıtlarında iyi sonuçlar vermiş ve kısa ve uzun vadeli değerlendirmelerde yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR) bildirilmiştir. Ayrıca giyilebilir biyokimyasal ter analizi için potansiyel bir platform olarak tasarlanmıştır 1,10.
Dövme, tekstil ve genel olarak esnek ince film teknolojilerine (örneğin, parilen veya farklı elastomerler gibi plastik folyolardan yapılanlar) artan ilgi, esas olarak düşük maliyetli ve ölçeklenebilir imalat yöntemleriyle uyumluluk ile desteklenmektedir. Serigrafi, mürekkep püskürtmeli baskı, doğrudan desenleme, daldırma kaplama ve damga aktarımı, bu tür elektronik arayüzler üretmek için başarıyla benimsenmiştir11. Bunlar arasında mürekkep püskürtmeli baskı en gelişmiş dijital ve hızlı prototipleme tekniğidir. Esas olarak iletken mürekkeplerin ortam koşullarında ve çok çeşitli substratlarda temassız, katkı maddesi şeklinde desenlenmesine uygulanır12. Her ne kadar birden fazla giyilebilir sensör asil metal mürekkep deseni13 ile üretilmiş olsa da, metal filmler kırılgandır ve mekanik olarak gerildiğinde çatlamaya maruz kalır. Farklı araştırma grupları, metallere cilt ile mekanik uyumluluk özelliği kazandırmak için farklı stratejiler benimsemiştir. Bu stratejiler arasında film kalınlığının azaltılması ve serpantin tasarımlarının veya buruşuk ve önceden gerilmiş substratlarınkullanılması 14,15,16 yer almaktadır. İletken polimerler gibi yumuşak ve özünde esnek iletken malzemeler, uygulamalarını esnek biyoelektronik cihazlarda buldu. Polimerik esneklikleri elektrik ve iyonik iletkenlik ile birleştirilir. PEDOT: PSS, biyoelektronikte en çok kullanılan iletken polimerdir. Yumuşaklık, biyouyumluluk, sürdürülebilirlik ve baskı işlenebilirliği17 ile karakterizedir ve bu da onu biyomedikal cihazların yaygın üretimi ile uyumlu kılar.
Bir edinme sistemine bağlı düzlemsel elektrotlar gibi cihazlar, sağlık izlemede biyopotansiyellerin kaydedilmesine izin verir. İnsan vücudu biyopotansiyelleri, vücuttan cilt yüzeyine kadar yayılan elektrojenik hücreler tarafından üretilen elektrik sinyalleridir. Elektrotların yerleştirildiği yere göre, beynin elektriksel aktivitesi (EEG), kaslar (EMG), kalp (EKG) ve cilt iletkenliği (örneğin, biyoempedans veya elektrodermal aktivite, EDA) ile ilgili veriler elde etmek mümkündür. Daha sonra verilerin kalitesi, elektrotların klinik uygulamalarda kullanılabilirliğini değerlendirmek için değerlendirilir. Yüksek SNR, tipik olarak son teknoloji Ag / AgCl elektrot kayıtlarıyla karşılaştırılan performanslarını18 olarak tanımlar. Ag/AgCl elektrotları da yüksek SNR’ye sahip olmasına rağmen, uzun süreli çalışma kabiliyetinden ve uyumlu giyilebilirlikten yoksundur. Yüksek kaliteli biyosinyal kayıtları, belirli bir organın işleviyle ilgili insan sağlığı durumu hakkında fikir verir. Bu nedenle, rahat dövme veya tekstil arayüzlerinin bu faydaları, gerçek hayattaki mobil sağlık izlemeyi mümkün kılabilecek ve teletıp19’un geliştirilmesinin önünü açabilecek uzun vadeli uygulamalar için vaatlerini göstermektedir.
Bu makale, sağlık biyomonitörizasyonunda dövme ve tekstil elektrotlarının nasıl üretileceğini ve değerlendirileceğini bildirmektedir. Üretiminden sonra, yeni bir elektrot karakterize edilmelidir. Tipik olarak, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), elektrotun transfer fonksiyonu açısından bir hedef arayüze (örneğin cilt) göre elektriksel performansını incelemek için benimsenmiştir. EIS, birden fazla elektrotun empedans özelliklerini karşılaştırmak ve farklı koşullar altında testler yapmak için kullanılır (örneğin, elektrot tasarımını değiştirmek veya uzun vadeli tepkileri incelemek). Bu makale, yüzey biyosinyallerinin kolay bir kurulumla kaydedilmesini göstermektedir ve kutanöz biyopotansiyel kayıtlar için doğrulanması gereken herhangi bir yeni imal elektrot için geçerli olan farklı biyosinyal türlerini kaydetmek için kullanıcı dostu bir yöntem bildirmektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makale, giyilebilir elektrotlar üretmek için kolay ve ölçeklenebilir bir süreci açıklamakta ve elektrofizyolojik biyosinyalleri kaydetmek için bir yöntem göstermektedir. Dövme, tekstil ve ince filmler gibi giyilebilir alt tabakaların üç örneğini kullanır. Bu yüzeyler üzerinde bir sensörün nasıl oluşturulacağını ve uygulamadan önce performansının nasıl karakterize edileceğini tanıtmaktadır. Elektrotları burada yapmak için, yeşil işleme29 ile uyumluluğu için…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Fransız Ulusal Araştırma Ajansı tarafından ANR JCJC OrgTex projesi (ANR-17-CE19-0010) aracılığıyla desteklenmiştir. Ayrıca, 813863 numaralı Marie Sklodowska-Curie hibe anlaşması kapsamında Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programından da fon aldı. E.I., Provence’taki Centre Microelectronics’teki CMP temiz oda personeline, projenin geliştirilmesi sırasındaki teknik destekleri için teşekkür eder.
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).
