אלקטרודות לבישות קונפורמיות: מייצור ועד הערכה אלקטרופיזיולוגית
Summary
שתי טכנולוגיות עדכניות – קעקועים וטקסטיל – הדגימו תוצאות מבטיחות בחישה עורית. כאן אנו מציגים את שיטות הייצור וההערכה של אלקטרודות קעקועים וטקסטיל לחישה אלקטרופיזיולוגית עורית. ממשקים אלקטרוניים אלה העשויים מפולימרים מוליכים עולים בביצועיהם על הסטנדרטים הקיימים מבחינת נוחות ורגישות.
Abstract
מכשירים אלקטרוניים לבישים הופכים לשחקני מפתח בניטור אותות הגוף שהשתנו בעיקר במהלך מעקב אחר פעילות גופנית. בהתחשב בעניין הגובר בטלה-רפואה ובטיפול מותאם אישית המונע על ידי עלייתו של עידן האינטרנט של הדברים, חיישנים לבישים הרחיבו את תחום היישום שלהם לתחום הבריאות. כדי להבטיח איסוף של נתונים רלוונטיים מבחינה קלינית, התקנים אלה צריכים ליצור ממשקים תואמים עם גוף האדם כדי לספק הקלטות באיכות אותות גבוהה ותפעול לטווח ארוך. לשם כך, מאמר זה מציג שיטה לייצור קל של חיישנים דקים ומבוססי טקסטיל רכים הניתנים להתאמה ליישום שלהם כמכשירים אלקטרוניים אורגניים לבישים בספקטרום רחב של הקלטות אלקטרופיזיולוגיות על פני השטח.
החיישנים מפותחים בתהליך חסכוני ומדרגי של דפוס אלקטרודות עורי באמצעות פולי(3,4-אתילנדיוקסיתיופן)-פולי(סטירנסולפונט) (PEDOT:PSS), הפולימר המוליך הפופולרי ביותר בביואלקטרוניקה, על מצעים לבישים מהמדף. מאמר זה מציג שלבים מרכזיים באפיון אלקטרודות באמצעות ספקטרוסקופיה של עכבה כדי לחקור את הביצועים שלהן בהתמרת אותות כאשר הן משולבות עם העור. נדרשים מחקרים השוואתיים כדי למקם את הביצועים של חיישנים חדשניים ביחס לתקן הזהב הקליני. כדי לאמת את ביצועי החיישנים המפוברקים, פרוטוקול זה מראה כיצד לבצע הקלטות ביו-סיגנליות שונות מתצורות שונות באמצעות התקנה אלקטרונית ידידותית למשתמש וניידת בסביבת מעבדה. מאמר שיטות זה יאפשר ליוזמות ניסיוניות מרובות לקידום המצב הקיים בחיישנים לבישים לניטור בריאות גוף האדם.
Introduction
הקלטה ביופוטנציאלית לא פולשנית מתבצעת באמצעות אלקטרודות מגע עם העור, ומספקת כמות עצומה של נתונים על המצב הפיזיולוגי של גוף האדם בכושר ובבריאות1. סוגים חדשים של התקני ניטור ביולוגי לביש פותחו מההתקדמות הטכנולוגית האחרונה בתחום האלקטרוניקה ועד לצמצום השליטה המשולבת ורכיבי התקשורת לממדים ניידים. מכשירי ניטור חכמים חודרים לשוק מדי יום, ומציעים יכולות ניטור מרובות במטרה הסופית לספק מספיק תוכן פיזיולוגי כדי לאפשר אבחון רפואי2. לכן, ממשקים בטוחים, אמינים וחזקים עם גוף האדם מציבים אתגרים קריטיים בפיתוח טכנולוגיות לבישות לגיטימיות לשירותי בריאות. אלקטרודות קעקועים וטקסטיל הופיעו לאחרונה כממשקים אמינים ויציבים הנתפסים כמכשירים חדשניים ונוחים לביסנסינג 3,4,5.
חיישני קעקועים הם ממשקים יבשים ודקים, אשר בשל עובים הנמוך (~ 1 מיקרומטר), מבטיחים מגע עור ללא דבקים וניתן להתאמה. הם מבוססים על ערכת נייר קעקועים זמינה מסחרית המורכבת ממבנה שכבות, המאפשר שחרור של שכבה פולימרית אולטרה-טימין על העור6. מבנה השכבות מאפשר גם טיפול קל בשכבה הפולימרית הדקה בתהליך הייצור של החיישן והעברתו לעור. האלקטרודה הסופית ניתנת להתאמה מלאה וכמעט בלתי מורגשת ללובש. חיישני טקסטיל הם מכשירים אלקטרוניים המתקבלים מפונקציונאליזציה של הבד עם חומרים אלקטרואקטיביים7. הם משולבים בעיקר או פשוט תפורים לבגדים כדי להבטיח את נוחות המשתמש בשל רכותם, נשימתם וזיקתם הברורה לבגדים. במשך כמעט עשור, אלקטרודות טקסטיל וקעקועים הוערכו ברישומים אלקטרופיזיולוגיים של פני השטח 3,8,9, והראו תוצאות טובות הן בהקלטות לבלאי והן בהקלטות באיכות האות ודיווח על יחס אות לרעש גבוה (SNR) בהערכות לטווח הקצר והארוך. הם גם נתפסים כפלטפורמה פוטנציאלית לניתוח זיעה ביוכימי לביש 1,10.
העניין הגובר בטכנולוגיות קעקועים, טקסטיל, ובאופן כללי, בטכנולוגיות סרט דק גמישות (למשל, אלה העשויות מירידי פלסטיק כגון פארילן או אלסטומרים שונים) מקודם בעיקר על ידי תאימות לשיטות ייצור בעלות נמוכה ומדרגיות. הדפסת מסך, הדפסת הזרקת דיו, דפוס ישיר, ציפוי טבילה והעברת בולים אומצו בהצלחה כדי לייצר סוגים כאלה של ממשקים אלקטרוניים11. בין אלה, הדפסת הזרקת דיו היא טכניקת האב-טיפוס הדיגיטלית והמהירה המתקדמת ביותר. הוא מיושם בעיקר על דפוס של דיו מוליך באופן שאינו מגע, תוסף בתנאי סביבה ועל מגוון גדול של מצעים12. למרות שחיישנים לבישים מרובים יוצרו באמצעות דיו מתכתי אצילי בדוגמת13, יריעות מתכת הן שבירות ועוברות סדקים כאשר הם לחוצים מכנית. קבוצות מחקר שונות אימצו אסטרטגיות שונות כדי להעניק למתכות את התכונה של תאימות מכנית לעור. אסטרטגיות אלה כוללות הפחתת עובי הסרט ושימוש בעיצובי נחשים או במצעים מקומטים ומוכשריםמראש 14,15,16. חומרים מוליכים רכים וגמישים במהותם, כגון פולימרים מוליכים, מצאו את יישומם בהתקנים ביו-אלקטרוניים גמישים. הגמישות הפולימרית שלהם משולבת עם מוליכות חשמלית ויונית. PEDOT:PSS הוא הפולימר המוליך הנפוץ ביותר בביו-אלקטרוניקה. הוא מאופיין ברכות, תאימות ביולוגית, קיימות ויכולת עיבוד הדפסה17, מה שהופך אותו לתואם לייצור נרחב של התקנים ביו-רפואיים.
התקנים, כגון אלקטרודות מישוריות המחוברות למערכת רכישה, מאפשרים הקלטה של ביופוטנציאלים בניטור בריאות. ביופוטנציאלים של גוף האדם הם אותות חשמליים הנוצרים על ידי תאים אלקטרוגניים המתפשטים דרך הגוף עד לפני העור. על פי המקום שבו ממוקמות האלקטרודות, ניתן להשיג נתונים הקשורים לפעילות החשמלית של המוח (EEG), השרירים (EMG), הלב (א.ק.ג.) ומוליכות העור (למשל, ביו-אימפדנס או פעילות אלקטרודרמלית, EDA). לאחר מכן מעריכים את איכות הנתונים כדי להעריך את השימושיות של האלקטרודות ביישומים קליניים. SNR גבוה מגדיר את הביצועים שלהם18, אשר בדרך כלל בהשוואה להקלטות אלקטרודות Ag/AgCl חדישות. למרות שלאלקטרודות Ag/AgCl יש גם SNR גבוה, הן חסרות יכולת תפעול ארוכת טווח ויכולת לבישה תואמת. הקלטות ביו-סיגנליות באיכות גבוהה מספקות תובנות לגבי מצב בריאות האדם הקשורות לתפקודו של איבר מסוים. לפיכך, יתרונות אלה של ממשקי קעקועים או טקסטיל נוחים מצביעים על ההבטחה שלהם ליישומים ארוכי טווח שיכולים לאפשר ניטור בריאות נייד בחיים האמיתיים ולסלול את הדרך לפיתוח טלרפואה19.
מאמר זה מדווח כיצד לייצר ולהעריך אלקטרודות קעקועים וטקסטיל בניטור ביולוגי בריאותי. לאחר ייצורו, יש לאפיין אלקטרודה חדשה. בדרך כלל, ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS) מאומצת כדי לחקור את הביצועים החשמליים של האלקטרודה ביחס לממשק מטרה (למשל, עור) במונחים של פונקציית ההעברה. EIS משמש להשוואת מאפייני העכבה של אלקטרודות מרובות ולבצע בדיקות בתנאים שונים (למשל, שינוי תכנון האלקטרודה או לימוד תגובות ארוכות טווח). מאמר זה מציג את ההקלטה של ביו-סיגנלים על פני השטח באמצעות התקנה קלה ומדווח על שיטה ידידותית למשתמש להקלטת סוגים שונים של ביו-סיגנלים החלים על כל אלקטרודה מפוברקת חדשה שיש לאמת אותה עבור הקלטות ביופוטנציאליות עוריות.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתאר תהליך קל וניתן להרחבה לייצור אלקטרודות לבישות ומדגים שיטה לרישום ביו-סיגנלים אלקטרופיזיולוגיים. הוא משתמש בשלוש דוגמאות של מצעים לבישים, כגון קעקוע, טקסטיל וסרטים דקים. הוא מציג כיצד לבנות חיישן על מצעים אלה ולאפיין את ביצועיו לפני יישומו. כדי לייצר את האלקטרודות כאן, השתמשנו…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי סוכנות המחקר הלאומית הצרפתית באמצעות פרויקט ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). היא גם קיבלה מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מארי סקלודובסקה-קירי מס’ 813863. E.I. מבקשת להודות לצוות החדר הנקי של CMP במרכז המיקרואלקטרוניקה בפרובאנס על תמיכתם הטכנית במהלך פיתוח הפרויקט.
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).
