Summary
Duas tecnologias recentes- tatuagem e têxteis - demonstraram resultados promissores em sensoriamento cutâneo. Aqui, apresentamos os métodos de fabricação e avaliação de tatuagens e eletrodos têxteis para sensoriamento eletrofisiológico cutâneo. Essas interfaces eletrônicas feitas de polímeros condutores superam os padrões existentes em termos de conforto e sensibilidade.
Abstract
Dispositivos eletrônicos vestíveis estão se tornando atores-chave no monitoramento dos sinais corporais predominantemente alterados durante o rastreamento de atividade física. Considerando o crescente interesse pela telemedicina e pelo atendimento personalizado impulsionado pelo surgimento da era da Internet das Coisas, os sensores vestíveis expandiram seu campo de aplicação em saúde. Para garantir a coleta de dados clinicamente relevantes, esses dispositivos precisam estabelecer interfaces conformáveis com o corpo humano para fornecer gravações de alta qualidade de sinal e operação a longo prazo. Para isso, este artigo apresenta um método para fabricar facilmente sensores de tatuagem fina e macios para sua aplicação como dispositivos eletrônicos orgânicos vestíveis em um amplo espectro de gravações eletrofisiológicas superficiais.
Os sensores são desenvolvidos através de um processo econômico e escalável de padronização cutânea de eletrodos usando poli (3,4-etilenodioxithiophene)-poly (etilrenesulfonate) (PEDOT:PSS), o polímero condutor mais popular em bioeletrônica, em substratos vestíveis fora da prateleira. Este artigo apresenta passos-chave na caracterização do eletrodo através da espectroscopia de impedância para investigar seu desempenho na transdução de sinal quando acoplado à pele. Estudos comparativos são necessários para posicionar o desempenho de novos sensores em relação ao padrão-ouro clínico. Para validar o desempenho dos sensores fabricados, este protocolo mostra como realizar várias gravações biossignais de diferentes configurações através de uma configuração eletrônica fácil de usar e portátil em um ambiente de laboratório. Este artigo de métodos permitirá que múltiplas iniciativas experimentais avancem o estado atual da arte em sensores vestíveis para monitoramento da saúde do corpo humano.
Introduction
A gravação biopotencial não invasiva é realizada através de eletrodos de contato com a pele, fornecendo uma grande quantidade de dados sobre o estado fisiológico do corpo humano em aptidão e saúde1. Novos tipos de dispositivos de biomonitoramento vestíveis foram desenvolvidos a partir dos mais recentes avanços tecnológicos em eletrônica até o downscaling de componentes integrados de controle e comunicação para dimensões portáteis. Dispositivos de monitoramento inteligentes permeiam o mercado diariamente, oferecendo múltiplos recursos de monitoramento com o objetivo final de fornecer conteúdo fisiológico suficiente para permitir diagnósticos médicos2. Portanto, interfaces seguras, confiáveis e robustas com o corpo humano apresentam desafios críticos no desenvolvimento de tecnologias vestíveis legítimas para a saúde. Tatuagens e eletrodos têxteis apareceram recentemente como interfaces confiáveis e estáveis percebidas como dispositivos inovadores e confortáveis para biosensão vestível 3,4,5.
Os sensores de tatuagem são interfaces secas e finas que, devido à sua baixa espessura (~1 μm), garantem o contato com a pele sem adesivos e conformáveis. Eles são baseados em um kit de papel tatuado comercialmente disponível composto por uma estrutura em camadas, que permite a liberação de uma camada polimérica ultrathina na pele6. A estrutura em camadas também permite facilitar o manuseio da fina camada polimérica durante o processo de fabricação do sensor e sua transferência para a pele. O eletrodo final é totalmente conformável e quase imperceptível ao usuário. Sensores têxteis são dispositivos eletrônicos obtidos a partir da funcionalização de tecidos com materiaiseletroativos 7. Eles são principalmente integrados ou simplesmente costurados em roupas para garantir o conforto do usuário devido à sua maciez, respirabilidade e afinidade evidente com as roupas. Por quase uma década, eletrodos têxteis e tatuados têm sido avaliados em gravações eletrofisiológicas superficiais 3,8,9, mostrando bons resultados tanto em gravações de wearability quanto em qualidade de sinal e relatando alta relação sinal-ruído (SNR) em avaliações de curto e longo prazo. Eles também são concebidos como uma plataforma potencial para análise bioquímica do suor vestível 1,10.
O crescente interesse por tatuagem, têxtil e, em geral, tecnologias flexíveis de filmes finos (por exemplo, aquelas feitas de folhas plásticas como parileno ou diferentes elastômeros) é promovida principalmente pela compatibilidade com métodos de fabricação de baixo custo e escaláveis. A impressão de tela, impressão de jato de tinta, padronização direta, revestimento de mergulho e transferência de selos foram adotados com sucesso para produzir tais tipos de interfaces eletrônicas11. Entre elas, a impressão a jato de tinta é a técnica de prototipagem digital e rápida mais avançada. É aplicado principalmente à padronização de tintas condutivas de forma não contato, aditiva em condições ambientais e em uma grande variedade de substratos12. Embora vários sensores vestíveis tenham sido fabricados através da padronização de tinta metálica nobre13, os filmes de metal são frágeis e sofrem rachaduras quando mecanicamente estressados. Diferentes grupos de pesquisa adotaram diferentes estratégias para doar metais com a propriedade da compatibilidade mecânica com a pele. Essas estratégias incluem reduzir a espessura do filme e usar desenhos serpentinas ou substratos enrugados e pré-estendidos 14,15,16. Materiais condutores macios e intrinsecamente flexíveis, como polímeros condutores, encontraram sua aplicação em dispositivos bioeletrônicos flexíveis. Sua flexibilidade polimérica é combinada com condutividade elétrica e iônica. PEDOT:PSS é o polímero condutor mais usado em bioeletrônica. Caracteriza-se pela maciez, biocompatibilidade, sustentabilidade e processabilidadede impressão 17, que a tornam compatível com a produção generalizada de dispositivos biomédicos.
Dispositivos, como eletrodos planares conectados a um sistema de aquisição, permitem o registro de biopotenciais no monitoramento da saúde. Os biopotenciais do corpo humano são sinais elétricos gerados por células eletrogênicas que se propagam através do corpo até a superfície da pele. De acordo com onde os eletrodos são colocados, é possível adquirir dados relacionados à atividade elétrica do cérebro (EEG), músculos (EMG), coração (ECG) e condutividade da pele (por exemplo, bioimpedância ou atividade eletrodérmica, EDA). A qualidade dos dados é então avaliada para avaliar a usabilidade dos eletrodos em aplicações clínicas. Um SNR alto define seu desempenho18, que é tipicamente comparado com gravações de eletrodos Ag/AgCl de última geração. Embora os eletrodos Ag/AgCl também tenham SNR elevado, eles não possuem operacionalidade de longo prazo e wearability conformável. Gravações bioassinais de alta qualidade fornecem insights sobre o estado de saúde humana relacionados à função de um determinado órgão. Assim, esses benefícios de tatuagem confortável ou interfaces têxteis indicam sua promessa de aplicações de longo prazo que possam permitir o monitoramento da saúde móvel na vida real e abrir caminho para o desenvolvimento da telemedicina19.
Este artigo relata como fabricar e avaliar tatuagens e eletrodos têxteis no biomonitoramento da saúde. Após sua fabricação, um novo eletrodo deve ser caracterizado. Normalmente, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) é adotada para estudar o desempenho elétrico do eletrodo em relação a uma interface de destino (por exemplo, pele) em termos da função de transferência. O EIS é usado para comparar as características de impedância de múltiplos eletrodos e realizar testes em diferentes condições (por exemplo, variando o design do eletrodo ou estudando respostas a longo prazo). Este artigo mostra a gravação de bioassinaturas superficiais através de uma configuração fácil e relata um método fácil de usar para gravar diferentes tipos de biossignals aplicáveis a qualquer novo eletrodo fabricado que precisa ser validado para gravações biopotenciais cutâneas.
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Protocol
NOTA: Os experimentos envolvendo indivíduos humanos não envolveram a coleta de informações privadas identificáveis relacionadas ao estado de saúde do indivíduo e são utilizados apenas aqui para demonstração tecnológica. Os dados foram mediados em três indivíduos diferentes. Os registros eletrofisiológicos foram extraídos dos dados publicados anteriormente 6,21.
1. Fabricação de eletrodos impressos em jato de tinta PEDOT:PSS
NOTA: O protocolo a seguir tem sido usado para fabricar eletrodos para eletrofisiologia em papel comercial e flexível de tatuagem6 e têxtil21. A mesma abordagem tem sido amplamente adotada para fazer eletrodos em substratos flexíveis, como folhas plásticas finas22. Em todos os casos, uma impressora a jato de tinta foi utilizada para a padronização de PEDOT:PSS (ver a Tabela de Materiais).
- Pré-processamento de substrato de eletrodos
- Corte um pedaço do substrato de juros.
- Ao usar um substrato de tatuagem, lave-o com água antes de imprimir para remover a camada mais alta e solúvel em água do papel23.
NOTA: O kit de papel tatuado também é fornecido com uma folha de cola usada neste trabalho, tanto para melhorar a adesão à tatuagem quanto como uma camada de passivação. O papel de tatuagem tem uma estrutura em camadas (Figura Suplementar S1), incluindo uma folha de papel de suporte, uma camada de polivinylalcohol solúvel em água (PVA), um filme de poliuretano liberado e uma camada PVA mais alta. A folha de cola tem uma estrutura em camadas composta de papel de silicone como suporte, cola acrílica à base de água e um forro de liberação superior.
- Ao usar um substrato de tatuagem, lave-o com água antes de imprimir para remover a camada mais alta e solúvel em água do papel23.
- Para fabricar sensores vestíveis, comece a cortar o substrato de interesse. Coloque o substrato na placa da impressora, gravando sua borda para mantê-lo plano.
- Corte um pedaço do substrato de juros.
- Impressão de tinta PEDOT:PSS
- Prepare o desenho para imprimir, como um círculo (12 mm de diâmetro) com uma almofada retangular na parte inferior (3 mm x 7 mm), este último a ser usado para a interconexão.
- Encha os cartuchos da impressora (10 pl) com a tinta comercial PEDOT:PSS depois de filtrar. Esta é uma dispersão aquosa do polímero condutor.
- Imprima o desenho no substrato.
- Ao usar papel tatuado e têxtil, que possuem energia superficial moderada-alta e propriedades absorventes, respectivamente, imprima com um espaçamento de gota de ~20 μm.
- Imprima várias camadas PEDOT:PSS, consecutivas ou aplicando um processo de secagem (110 °C por 15 min) entre as camadas para criar um padrão condutivo homogêneo e contínuo.
NOTA: Isso é especialmente necessário no caso de eletrodos têxteis, onde a estrutura 3D dos têxteis requer mais conteúdo de tinta para criar um caminho condutor contínuo dentro do tecido.
- Seque o eletrodo a 110 °C por 15 min no forno para completar a evaporação do solvente.
NOTA: Os eletrodos obtidos em papel têxtil, PET e tatuador (Figura 1A-C) imprimindo vários dispositivos em uma única corrida (Figura 1D) agora podem ser armazenados em um ambiente fechado, limpo e seco antes de continuar com os próximos passos.
- Fabricação externa do conector
- Eletrodos de tatuagem
- Corte um pedaço retangular do substrato de naftalina de polietileno (PEN) (8 mm x 12 mm, 1,3 mm de espessura).
- Imprima um design retangular (3 mm x 12 mm) com três camadas PEDOT:PSS em cima do substrato.
- Seque a amostra impressa no forno a 110 °C por 15 minutos.
- Lamine a interconexão pen no eletrodo da tatuagem, com as partes retangulares PEDOT:PSS voltadas umas para as outras.
- Corte um orifício (diâmetro de 11,3 mm) na folha de cola de papel da tatuagem. Alinhe este orifício da folha de cola com a parte de sensoriamento circular do eletrodo PEDOT:PSS da tatuagem. Adicione um pedaço de fita poliimida (veja a tabela de materiais) na extremidade livre da interconexão PEN.
- Eletrodos de papel alumínio e têxtil
- Conecte um pedaço de fita condutiva (por exemplo, fita de cobre) ao redor da conexão retangular impressa para obter uma interconexão robusta e estável.
- Conecte um conector de pino pogo na fita de cobre e conecte o pino pogo ao sistema de gravação.
- Eletrodos de tatuagem
- Transferência de eletrodo de tatuagem
- Remova o forro de cola. Coloque a tatuagem na parte desejada da pele.
- Molhe o papel de apoio traseiro, mantendo a tatuagem em posição. Uma vez que o papel de suporte traseiro esteja encharcado, deslize-o para removê-lo, deixando apenas o eletrodo feito do filme ultrathin transferível na pele.
- Conecte o contato PEN plano na unidade de aquisição externa. Veja a seção 1.3.
- Posicionamento de eletrodos têxteis
- Coloque o eletrodo na pele. Com a ajuda de uma pulseira esportiva de tecido ou fita médica, mantenha o eletrodo em contato estável com a pele para garantir gravações de sinal de alta qualidade durante o movimento.
- Realize a gravação eletrofisiológica da superfície desejada. Lave os eletrodos da tatuagem depois das gravações esfregando-os com uma esponja molhada.
2. Caracterização de eletrodos utilizando espectroscopia de impedância eletroquímica
- Medição no corpo
- Certifique-se de que o voluntário está confortavelmente sentado com um braço colocado sobre uma mesa em repouso.
NOTA: Não é necessário limpar a pele ou esfregar.
- Certifique-se de que o voluntário está confortavelmente sentado com um braço colocado sobre uma mesa em repouso.
- Colocação de eletrodos
- Coloque um eletrodo na pele e conecte-o ao eletrodo de sensor de eletrodo de trabalho (WE-S) do EIS.
- Coloque outro eletrodo 3 cm além do primeiro e conecte-o ao eletrodo do contador (CE) do EIS.
- Coloque o terceiro eletrodo no cotovelo e conecte-o ao eletrodo de referência (RE) do EIS. Consulte a Figura 2A para a configuração dos três eletrodos .
NOTA: Os eletrodos conectados ao CE e RE do EIS podem ser ambos eletrodos Ag/AgCl ou feitos de PEDOT:PSS, como é o caso do WE neste estudo.
- Inicie a gravação no potencialiostat EIS. Aplique uma corrente entre o contador e os eletrodos de trabalho. Meça a variação potencial entre o casal de referência e sensoriamento.
NOTA: A conexão da tatuagem e do eletrodo têxtil com o sistema de aquisição pode ser feita com um clipe para formar uma conexão elétrica estável com os cabos de potencialiostat. A impedância de saída computada em cada frequência consiste em duas contribuições: impedância da pele e impedância de contato pele-eletrodo.
3. Gravações eletrofisiológicas de superfície
NOTA: A seguinte seção descreve a colocação do eletrodo para cada bioassinário de interesse. Uma vez que os eletrodos estejam corretamente colocados e bem ligados à pele, eles podem ser conectados ao sistema de aquisição portátil para iniciar as gravações. O conteúdo em vídeo deste artigo mostra um exemplo de monitoramento eletrofisiológico utilizando eletrodos Ag/AgCl disponíveis comercialmente e uma unidade eletrônica portátil.
- Para ECG, adote uma configuração vestível com dois ou três (um usado como solo). Coloque os eletrodos em múltiplas áreas do corpo (por exemplo, peito, pulsos, costelas) com uma distância intereleditória mínima de 6 cm para obter um sinal apreciável.
NOTA: Um local clássico implica a colocação de dois eletrodos nas clavículas esquerda e direita; neste caso, o eletrodo moído pode ser colocado na crista ilíaca esquerda. - Para registro de atividade elétrica muscular (EMG), coloque os eletrodos ao longo do músculo de interesse (por exemplo, no bíceps ou na panturrilha). Coloque o eletrodo moído em um local estático, como um osso adjacente.
- Para registro de atividade elétrica cerebral (EEG), coloque os eletrodos em vários locais na cabeça.
NOTA: Locais confortáveis são a testa e ao redor das orelhas externas. Um eletrodo de referência pode ser necessário, tipicamente atrás da orelha no osso mastoide. - Para medições de atividade eletrodérmica (EDA), coloque dois eletrodos na palma da mão esquerda. Realize a gravação quando o sujeito estiver em repouso ou fazendo exercício físico.
NOTA: A impedância da pele pode ser medida sobre toda a superfície do corpo (por exemplo, as costelas, nas costas, na sola do pé); uma distância interelerodada suficiente de 6 cm garante um bom monitoramento.
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Representative Results
Este artigo mostra a fabricação de eletrodos confortáveis de contato com a pele por impressão a jato de tinta e um método para caracterizá-los e realizar gravações de eletrofisiologia. Relatamos as etapas de fabricação da impressão do jato de tinta PEDOT:PSS diretamente em diferentes substratos, como tecido (Figura 1A), PEN (Figura 1B) e papel de tatuagem (Figura 1C,D) para referência. Os desenhos propostos na etapa 1.2.1 do protocolo. e passo 1.3.1.5. definir uma área de sensoriamento circular de 1 cm2 para comparar eletrodos com o Ag/AgCl de última geração adotado principalmente em clínicas.
Para caracterizar o desempenho dos eletrodos, suas impedâncias foram medidas através da configuração EIS de três eletrodos (Figura 2A,B). Este método permite o estudo da impedância pele-eletrodo ao realizar medições no corpo com eletrodos colocados no braço. Como exemplo, a impedância representativa dos eletrodos têxteis é relatada na Figura 2C, onde o módulo de impedância é relatado no enredo de Bode. Os eletrodos têxteis apresentam impedâncias ligeiramente mais altas, mas comparáveis do que os eletrodos Ag/AgCl, o padrão-ouro na eletrofisiologia. A forma do módulo de impedância (Figura 2C) indica um comportamento um pouco mais resistente no caso dos eletrodos têxteis, enquanto o Ag/AgCl padrão mostra comportamento típico resistivo-capacitivo24. Todos os três tipos de eletrodos, tatuagem, têxtil e folhas finas, foram estudados via EIS, permitindo a caracterização de sua interface com a pele25.
Ao colocar os eletrodos na pele em diferentes áreas do corpo, como mostrado na Figura 3, temos acesso a múltiplos bioassinários (por exemplo, EEG, ECG, EMG e EDA). Gravações biossignais podem ser facilmente obtidas conectando os eletrodos à instrumentação portátil ou em escala de laboratório apropriada. A Figura 3A exibe o rastreamento EEG - o registro de atividade elétrica de populações de neurônios ativos. Um dos grupos básicos de ondas cerebrais são as ondas alfa (8-13 Hz). As ondas alfa refletem o estado do cérebro sob relaxamento e podem ser induzidas pedindo ao sujeito para fechar os olhos26. A linha vertical cinza (Figura 3A) marca o momento da gravação quando o voluntário foi convidado a abrir os olhos. No rastreamento do ECG na Figura 3B, a polarização e a despolarização dos atria e ventrículos do coração são representados pelo padrão característico composto pela onda P, o complexo QRS e uma onda T27. Na Figura 3B, o complexo QRS é identificável, e os picos R mostram a maior amplitude e são usados para calcular a frequência cardíaca considerando o tempo entre dois consecutivos.
A Figura 3C mostra o rastreamento emg enquanto o voluntário aumentou progressivamente a força de seus músculos do braço. A atividade muscular intensificada é quantificada pelo aumento da amplitude dos picos de tensão. Em um rastreamento EMG, picos com amplitude de alguns microvolts a alguns milivolts, na faixa de frequência de 10-1.000 Hz, refletem a atividade da fibra muscular impulsionada pelos potenciais de ação da unidade motora. A Figura 3D mostra o rastreamento EDA tipicamente composto de componentes tônicos e afásicos. O componente tônico reflete o nível de condutância da pele e corresponde ao sinal de fundo. O componente phasic reflete a resposta do sujeito a um estímulo específico e é detectável por uma mudança no valor de condutância da pele28. Este rastreamento é usado para avaliar os níveis de estresse humano e hidratação corporal.
Figura 1: PEDOT:PSS eletrodos impressos em jato de tinta. Eletrodos impressos em (A) tecido 100% algodão, (B) papel de tatuagem PET e (C) papel de tatuagem temporário. (D) Fotografia da impressora a jato de tinta enquanto imprimia vários eletrodos PEDOT:PSS no substrato de papel tatuado. Abreviaturas: PET = tereftalato de polietileno; PEDOT:PSS = poli (3,4-etilenodioxythiophene)-poly (etilrenesulfonato). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Medições de EIS. (A) Esquema da configuração do eletrodo para medição do EIS no corpo; o eletrodo de funcionamento é colocado 3 cm de distância do eletrodo ag/agcl do contador; a referência Ag/AgCl é colocada no cotovelo do voluntário. (B) Esquema da configuração de três eletrodos para medições de EIS na pele. Uma corrente é aplicada entre o contador e os eletrodos de trabalho, e a tensão é medida entre a referência e os eletrodos de sentido. (C) Módulo de impedância de Ag/AgCl e eletrodos têxteis de gel líquido iônico PEDOT (curvas azuis e verdes, respectivamente). A impedância foi medida com uma configuração de três eletrodos no braço. Este número foi modificado a partir de Bihar et al.21. Abreviaturas: EIS = espectroscopia de impedância eletroquímica; CE = eletrodo de contador; WE = eletrodo de trabalho; RE = eletrodo de referência; S = eletrodo de sentido; PEDOT: PSS = poli (3,4-etilenodioxythiophene)-poly (etilrenesulfonato). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Esquema de posicionamento do corpo do eletrodo com os respectivos rastreamentos eletrofisiológicos de gravação. (A) Rastreamento EEG. A linha vertical tracejada indica a transição de um estado com ondas alfa para um estado sem, o que coincide com quando o voluntário foi convidado a abrir os olhos. (B) rastreamento de ECG. Os picos superiores representam os picos R que pertencem ao complexo QRS. (C) rastreamento EMG. A atividade muscular é representada por um sinal de tensão cuja amplitude aumenta com o aumento da atividade do músculo evocado pelo voluntário. (D) rastreamento EDA. Durante os dois primeiros s, o sinal representa o componente tônico, enquanto seu aumento de amplitude seguinte indica o componente afásico, que espelha a resposta do voluntário a um estímulo. Todas as gravações foram realizadas com eletrodos Ag/AgCl em um voluntário saudável. Abreviaturas: EEG = eletroencefalografia; ECG = eletrocardiografia; EMG = eletromografia; EDA = atividade eletrodérmica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar S1: Esquema de estrutura em camadas de papel tatuado. Uma folha de papel de apoio suporta o nanofilme liberado feito com uma mistura de poliuretano e outros polímeros. Duas camadas de polivinyalcohol solúvel em água (PVA) cobrem ambos os lados do filme. Clique aqui para baixar este Arquivo.
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Discussion
Este artigo descreve um processo fácil e escalável para fabricar eletrodos vestíveis e demonstra um método para gravar bioassinamentos eletrofisiológicos. Ele usa três exemplos de substratos vestíveis, como tatuagem, têxtil e filmes finos. Ele introduz como construir um sensor sobre esses substratos e caracteriza seu desempenho antes de sua aplicação. Para fazer os eletrodos aqui, empregamos o PEDOT:PSS, um polímero condutor que se destaca dos condutores à base de metal devido ao seu custo-efetividade, versátil processabilidade, biocompatibilidade, maciez e sustentabilidade por sua compatibilidade com o processamento verde29. PEDOT:PSS a padronização em substratos off-the-shelf foi alcançada através de uma técnica de impressão a jato de tinta que permite o controle preciso da deposição de tinta com liberdade de design (Figura 1).
A impressão a jato de tinta é uma técnica de não contato que permite a funcionalidade seletiva de substratos flexíveis e não convencionais que são quimicamente e fisicamente incompatíveis com os processos tradicionais de microfabricção da fotolitografia. Em comparação com a impressão de tela, outra técnica frequentemente utilizada para fabricação de eletrodos, o jato de tinta não requer máscaras, resultando em menor desperdício de tinta e personalização simples30. A tecnologia de jato de tinta controla a espessura rigorosamente por deposição de várias camadas (jato de tinta: <1 μm vs. tela: >a poucos μm). De fato, ao imprimir em papel tatuado (Figura 1D), uma camada impressa em PEDOT:PSS (espessura de 240 nm ± 30 nm) é suficiente para obter uma película condutiva homogênea (Figura 1C), com uma espessura subdímetro que naturalmente se auto-adere à pele após sua rugosidade31. No entanto, ao imprimir em tecidos, a tinta cai sobre as estruturas porosas 3D criadas por fios de malha ou acenados (Figura 1A). Múltiplas camadas são necessárias para obter conexão elétrica entre as fibras revestidas, funcionalizando a matéria têxtil de forma controlada e personalizada32.
Ao imprimir em substratos novos e atípicos, é fundamental encontrar o número ideal de camadas impressas, considerando a troca entre o desempenho e a velocidade do processo de fabricação. Para a fabricação de eletrodos têxteis, deve-se prestar atenção para manter o substrato plano durante a impressão (ver protocolo seção 1.3.). Portanto, a estratégia de impressão deve considerar a otimização do layout de impressão em deposição multicamadas e a possibilidade de alinhamento na deposição de materiais consecutivos.
No entanto, é importante apontar algumas limitações desses eletrodos e sua fabricação. Eletrodos têxteis podem precisar de etapas adicionais de impressão de um eletrólito de gel. Foi demonstrado que ele desempenha um papel fundamental na diminuição da impedância de contato pele-eletrodo, fornecendo registros biosignais de alta qualidade33 Além disso, a lavagem dos sensores vestíveis têxteis é um aspecto crítico ao prever a integração total nas roupas. As propriedades físico-químicas do substrato têxtil e a tinta de polímero condutor afetam a conformidade do dispositivo final com os ciclos de lavagem. Portanto, deve-se investigar exaustivamente o aspecto supracitado para avaliar plenamente seu desempenho a longo prazo.
Na fabricação do sensor de tatuagem, um passo delicado é encontrar a melhor interconexão elétrica entre o sensor de tatuagem e o sistema de aquisição (ver protocolo seção 1.3.). De fato, a tecnologia de tatuagem ganhou interesse devido ao formato de filme fino que torna os eletrodos de tatuagem imperceptível. Portanto, sua manipulação requer cuidados particulares quando o estresse mecânico é aplicado, particularmente na parte de interconexão. Também é importante lembrar o mecanismo de transferência de tatuagens para a pele que requer molhar o papel de apoio com água. Embora este método seja simples, qualquer contato abrupto entre a água e o já transferido sensor de tatuagem irá delaminar este último. Embora a conformidade das tatuagens ultrathin é uma vantagem fundamental para a tecnologia vestível, a vulnerabilidade à água e ao atrito mecânico reduz o período de operação do sensor de tatuagem para alguns dias.
Quando um novo tipo de eletrodo é introduzido, o EIS ajuda a fornecer a avaliação primária do desempenho do eletrodo em comparação com o benchmark (os eletrodos Ag/AgCl) antes de avançar com uma aplicação. A seção 2 do protocolo descreveu as medidas do EIS dos eletrodos fabricados quando diretamente colocados no corpo humano para obter insights sobre como eles são eletricamente acoplados com a pele. A configuração de três eletrodos (Figura 2A,B) avalia a capacidade de transferência de sinal através da interface pele-eletrodo. O novo eletrodo a ser investigado é aquele ligado ao WE e S do EIS. Os outros dois eletrodos são usados como CE e RE. O EIS é realizado em um modo potencialiostático, onde uma pequena (0,1 V) corrente sinusoidal (0,1-100 Hz) é aplicada entre o CE e o WE, enquanto a variação potencial é medida em todo o casal RE-S. A impedância é então calculada em cada frequência. A impedância medida consiste em duas contribuições: a impedância da pele e a impedância do contato pele-eletrodo.
Os comportamentos capacitivos e resistivos de um eletrodo são definidos a partir das parcelas do EIS (Figura 2C). Ao desenvolver circuitos equivalentes para se adequar aos dados experimentais, é possível entender como um eletrodo transduz biossignals e que tipo de interface estabelece com a pele34. Enquanto os eletrodos de tatuagem são secos e aderentes à pele, suas impedâncias diferem ligeiramente dos eletrodos padrão de Ag/AgCl. A presença de uma interface de gel entre a pele e o eletrodo promove a transdução de sinal e diminui a impedância de contato.
A resistência mecânica é outra característica fundamental dos wearables. Os eletrodos têxteis PEDOT:PSS foram demonstrados para suportar o estresse de alongamento33. Combinados com géis líquidos iônicos impressos, eles oferecem contato elétrico estável com a pele e robustez mecânica em condições vestíveis. A elasticidade, a maciez e a porosidade estrutural, que dotam a capacidade de passar a transpiração devido ao contato com o corpo humano, levam esse tipo de eletrodo a ser a tecnologia mais adequada para eletrônicos vestíveis. Mais uma vez, a interconexão com sistemas eletrônicos permanece delicada. Portanto, esses sistemas podem ser depositados diretamente no tecido.
A validação final de sensores cutâneos só pode ser realizada em indivíduos. Sensores cutâneos são condicionados pela variabilidade da pele entre os sujeitos e diversos fatores dinâmicos e condições ambientais, que afetam diretamente seu desempenho. Aqui, demonstramos como obter rastreamentos significativos de EEG, ECG, EMG e EDA através de uma plataforma totalmente portátil. A colocação de eletrodos desempenha um papel importante na obtenção de informações confiáveis e precisas durante o monitoramento. A análise das gravações mostradas na Figura 3 pode confirmar a capacidade do eletrodo em gravações eletrofisiológicas e obter resultados valiosos de monitoramento corporal. A capacidade de gravação varia de atividade neural extremamente fraca (Figura 3A) a contrações musculares de alta potência (Figura 3C).
Na Figura 3B e Figura 3D, a atividade cardíaca e as respostas eletrodérmicas demonstram a resolução e sensibilidade dos eletrodos fabricados. O registro biossignal fornece dados úteis sobre a saúde corporal do usuário, desempenho em condições específicas e resposta a estímulos internos ou externos específicos, expandindo sua aplicação para uma variedade de estudos biomédicos. Existem várias entradas eletrônicas portáteis para adquirir bioassinários como ECG, EMG, EEG e EDA. Exemplos são os chips de amplificador de eletrofisiologia portátil RHD2216 da Intan Technologies, o wearable Shimmer, o dispositivo DueLite da OT Bioelettronica, o dispositivo sem fio PLUX na versão avançada (chamada Biosignal PLUX), ou a versão DIT (chamada BITalino).
Para concluir, vários sensores podem ser fabricados com os protocolos apresentados para uma variedade de aplicações de monitoramento da saúde. Por exemplo, as matrizes multieleditórias PEDOT:PSS (MEAs) baseadas em tatuagem foram empregadas com sucesso para EMG facial, pois não prejudicam os movimentos faciais naturais e permitem a gravação biossignal livre da alteração25,35. No entanto, eletrodos finos e elásticos foram fabricados pela impressão a jato de tinta PEDOT:PSS em substrato de meia-calça elástico de baixo custo, obtendo gravações de ECG de alta qualidade, tanto em condições de repouso quanto de movimento, com mínimo desconforto para o usuário33. Com este protocolo, obtivemos sensores de pele macios, conformáveis e confortáveis através da padronização da tinta condutora em substratos fora da prateleira. A impressão a jato de tinta é uma técnica de baixo custo e escalável que se destaca dos processos tradicionais de fabricação microeletrônica. O método proposto descreve como adquirir sinais eletrofisiológicos, que variam de atividade neural fraca a contrações musculares de alta potência. Esses sinais permitem que sejam obtidos insights sobre o estado fisiológico do corpo do usuário. No geral, apresentamos etapas iniciais sobre a viabilidade de dispositivos eletrônicos vestíveis perfeitos para uma variedade de aplicações biomédicas, que se estendem desde o condicionamento físico até o monitoramento da saúde.
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Disclosures
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pela Agência Nacional de Pesquisa francesa através do projeto ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). Também recebeu financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia no âmbito do acordo de subvenção Marie Sklodowska-Curie nº 813863. E.I. deseja agradecer à equipe da sala de limpeza do CMP do Centro de Microeletrônica da Provença pelo apoio técnico durante o desenvolvimento do projeto.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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