Conforme draagbare elektroden: van fabricage tot elektrofysiologische beoordeling
Summary
Twee recente technologieën – tatoeage en textiel – hebben veelbelovende resultaten laten zien in cutane sensing. Hier presenteren we de fabricage- en evaluatiemethoden van tatoeage- en textielelektroden voor cutane elektrofysiologische detectie. Deze elektronische interfaces van geleidende polymeren presteren beter dan de bestaande normen op het gebied van comfort en gevoeligheid.
Abstract
Draagbare elektronische apparaten worden belangrijke spelers in het monitoren van de lichaamssignalen die voornamelijk worden gewijzigd tijdens het volgen van fysieke activiteiten. Gezien de groeiende interesse in telegeneeskunde en gepersonaliseerde zorg, gedreven door de opkomst van het Internet of Things-tijdperk, hebben draagbare sensoren hun toepassingsgebied uitgebreid naar de gezondheidszorg. Om de verzameling van klinisch relevante gegevens te garanderen, moeten deze apparaten conforme interfaces met het menselijk lichaam tot stand brengen om opnames van hoge signaalkwaliteit en langdurige werking te bieden. Hiertoe presenteert dit artikel een methode om eenvoudig conforme dunne tatoeage- en zachte textielgebaseerde sensoren te fabriceren voor hun toepassing als draagbare organische elektronische apparaten in een breed spectrum van oppervlakte-elektrofysiologische opnames.
De sensoren zijn ontwikkeld door middel van een kosteneffectief en schaalbaar proces van cutane elektrodepatronen met behulp van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) -poly (styreensulfaat) (PEDOT: PSS), het meest populaire geleidende polymeer in bio-elektronica, op kant-en-klare, draagbare substraten. Dit artikel presenteert belangrijke stappen in elektrodekarakterisering door middel van impedantiespectroscopie om hun prestaties in signaaltransductie in combinatie met de huid te onderzoeken. Vergelijkende studies zijn nodig om de prestaties van nieuwe sensoren te positioneren ten opzichte van de klinische gouden standaard. Om de prestaties van de gefabriceerde sensoren te valideren, laat dit protocol zien hoe verschillende biosignale opnames uit verschillende configuraties kunnen worden uitgevoerd via een gebruiksvriendelijke en draagbare elektronische opstelling in een laboratoriumomgeving. Dit methodendocument zal meerdere experimentele initiatieven mogelijk maken om de huidige stand van de techniek in draagbare sensoren voor het monitoren van de gezondheid van het menselijk lichaam te bevorderen.
Introduction
Niet-invasieve biopotentiële registratie wordt uitgevoerd via huidcontactelektroden, die een enorme hoeveelheid gegevens opleveren over de fysiologische status van het menselijk lichaam in fitness en gezondheidszorg1. Nieuwe soorten draagbare biomonitoring-apparaten zijn ontwikkeld op basis van de nieuwste technologische ontwikkelingen in de elektronica tot het afschalen van geïntegreerde besturings- en communicatiecomponenten naar draagbare afmetingen. Slimme bewakingsapparatuur doordringt dagelijks de markt en biedt meerdere bewakingsmogelijkheden met als uiteindelijk doel voldoende fysiologische inhoud te bieden om medische diagnostiek mogelijk te maken2. Daarom vormen veilige, betrouwbare en robuuste interfaces met het menselijk lichaam cruciale uitdagingen bij de ontwikkeling van legitieme draagbare technologieën voor de gezondheidszorg. Tatoeage- en textielelektroden zijn onlangs verschenen als betrouwbare en stabiele interfaces die worden gezien als innovatieve, comfortabele apparaten voor draagbare biosensing 3,4,5.
Tatoeagesensoren zijn droge en dunne interfaces die door hun lage dikte (~1 μm) zorgen voor lijmvrij, conformeerbaar huidcontact. Ze zijn gebaseerd op een in de handel verkrijgbare tattoo-papierkit die bestaat uit een gelaagde structuur, waardoor een ultradunne polymere laag op de huid kan wordenvrijgegeven 6. De gelaagde structuur zorgt ook voor een eenvoudige hantering van de dunne polymere laag tijdens het fabricageproces van de sensor en de overdracht ervan naar de huid. De uiteindelijke elektrode is volledig conformeerbaar en bijna onmerkbaar voor de drager. Textielsensoren zijn elektronische apparaten die worden verkregen uit de functionalisering van stoffen met elektroactieve materialen7. Ze zijn voornamelijk geïntegreerd of eenvoudig in kleding genaaid om het comfort van de gebruiker te garanderen vanwege hun zachtheid, ademend vermogen en duidelijke affiniteit met kledingstukken. Al bijna een decennium worden textiel- en tatoeage-elektroden beoordeeld in oppervlakte-elektrofysiologische opnames 3,8,9, die goede resultaten laten zien, zowel in draagbaarheid als signaalkwaliteitsregistraties en rapportage van hoge signaal-ruisverhouding (SNR) in korte- en langetermijnevaluaties. Ze zijn ook opgevat als een potentieel platform voor draagbare biochemische zweetanalyse 1,10.
De groeiende interesse in tatoeage, textiel en, in het algemeen, flexibele dunnefilmtechnologieën (bijvoorbeeld die gemaakt van plastic folies zoals paryleen of verschillende elastomeren) wordt voornamelijk bevorderd door de compatibiliteit met goedkope en schaalbare fabricagemethoden. Zeefdruk, inkjetdruk, directe patronen, dipcoating en stempeloverdracht zijn met succes toegepast om dergelijke elektronische interfaces te produceren11. Onder deze, inkjet printen is de meest geavanceerde digitale en snelle prototyping techniek. Het wordt voornamelijk toegepast op het patroon van geleidende inkten op een contactloze, additieve manier onder omgevingsomstandigheden en op een grote verscheidenheid aan substraten12. Hoewel meerdere draagbare sensoren zijn vervaardigd door middel van edelmetaalinktpatroon13, zijn metalen films broos en worden ze gebarsten wanneer ze mechanisch worden belast. Verschillende onderzoeksgroepen hebben verschillende strategieën aangenomen om metalen te voorzien van de eigenschap van mechanische compatibiliteit met de huid. Deze strategieën omvatten het verminderen van de filmdikte en het gebruik van serpentijnontwerpen of gerimpelde en voorgespannen substraten 14,15,16. Zachte en intrinsiek flexibele geleidende materialen, zoals geleidende polymeren, vonden hun toepassing in flexibele bio-elektronische apparaten. Hun polymere flexibiliteit wordt gecombineerd met elektrische en ionische geleidbaarheid. PEDOT: PSS is het meest gebruikte geleidende polymeer in de bio-elektronica. Het wordt gekenmerkt door zachtheid, biocompatibiliteit, duurzaamheid en printprocesbaarheid17, waardoor het compatibel is met de wijdverspreide productie van biomedische apparaten.
Apparaten, zoals planaire elektroden die zijn aangesloten op een acquisitiesysteem, maken het mogelijk om biopotentiële stoffen in gezondheidsmonitoring te registreren. Biopotentialen van het menselijk lichaam zijn elektrische signalen die worden gegenereerd door elektrogene cellen die zich door het lichaam naar het huidoppervlak voortplanten. Afhankelijk van waar de elektroden zijn geplaatst, is het mogelijk om gegevens te verkrijgen met betrekking tot de elektrische activiteit van de hersenen (EEG), spieren (EMG), hart (ECG) en huidgeleiding (bijv. Bio-impedantie of elektrodermale activiteit, EDA). De kwaliteit van de gegevens wordt vervolgens beoordeeld om de bruikbaarheid van de elektroden in klinische toepassingen te evalueren. Een hoge SNR definieert hun prestaties18, die meestal worden vergeleken met state-of-the-art Ag / AgCl-elektrode-opnames. Hoewel de Ag/AgCl-elektroden ook een hoge SNR hebben, missen ze de operationele bruikbaarheid op lange termijn en de aanpasbare draagbaarheid. Hoogwaardige biosignale opnames geven inzicht in de gezondheidstoestand van de mens met betrekking tot de functie van een bepaald orgaan. Deze voordelen van comfortabele tattoo- of textielinterfaces geven dus hun belofte aan voor langetermijntoepassingen die real-life mobiele gezondheidsmonitoring mogelijk kunnen maken en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van telegeneeskunde19.
Dit artikel rapporteert hoe tatoeage- en textielelektroden in biomonitoring voor gezondheid kunnen worden vervaardigd en beoordeeld. Na de fabricage moet een nieuwe elektrode worden gekarakteriseerd. Doorgaans wordt elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) gebruikt om de elektrische prestaties van de elektrode te bestuderen met betrekking tot een doelinterface (bijv. Huid) in termen van de overdrachtsfunctie. EIS wordt gebruikt om de impedantie-eigenschappen van meerdere elektroden te vergelijken en tests uit te voeren onder verschillende omstandigheden (bijvoorbeeld het variëren van het elektrodeontwerp of het bestuderen van langetermijnresponsen). Dit artikel toont de registratie van oppervlaktebiosignalen door middel van een eenvoudige installatie en rapporteert een gebruiksvriendelijke methode om verschillende soorten biosignalen vast te leggen die van toepassing zijn op elke nieuwe gefabriceerde elektrode die moet worden gevalideerd voor cutane biopotentiële opnames.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel beschrijft een eenvoudig en schaalbaar proces om draagbare elektroden te fabriceren en demonstreert een methode voor het registreren van elektrofysiologische biosignalen. Het maakt gebruik van drie voorbeelden van draagbare substraten, zoals tatoeage, textiel en dunne films. Het introduceert hoe een sensor op deze substraten kan worden gebouwd en de prestaties ervan kunnen worden gekarakteriseerd voordat deze wordt aangebracht. Om de elektroden hier te maken, gebruikten we PEDOT: PSS, een geleidend polymeer d…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Franse Nationale Onderzoeksagentschap via het ANR JCJC OrgTex-project (ANR-17-CE19-0010). Het heeft ook financiering ontvangen van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie in het kader van de Marie Sklodowska-Curie-subsidieovereenkomst nr. 813863. E.I. wil de medewerkers van de CMP cleanroom van het Centre Microelectronics in de Provence bedanken voor hun technische ondersteuning tijdens de ontwikkeling van het project.
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 |
Riferimenti
- 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).
