Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Formbara bärbara elektroder: Från tillverkning till elektrofysiologisk bedömning

Published: July 22, 2022 doi: 10.3791/63204
Automatic Translation
1, 2, 1
1Centre CMP, Département BEL, Mines Saint-Etienne, 2INRIA, Université Côte d'Azur

Summary

Två nya tekniker - tatuering och textilier - har visat lovande resultat i kutan avkänning. Här presenterar vi tillverknings- och utvärderingsmetoder för tatuerings- och textilelektroder för kutan elektrofysiologisk avkänning. Dessa elektroniska gränssnitt gjorda av ledande polymerer överträffar de befintliga standarderna när det gäller komfort och känslighet.

Abstract

Bärbara elektroniska enheter blir nyckelaktörer för att övervaka kroppssignalerna som huvudsakligen förändras under spårning av fysisk aktivitet. Med tanke på det växande intresset för telemedicin och personlig vård som drivs av uppkomsten av Internet of Things-eran har bärbara sensorer utökat sitt användningsområde till sjukvården. För att säkerställa insamling av kliniskt relevanta data måste dessa produkter upprätta konforma gränssnitt med människokroppen för att tillhandahålla inspelningar av hög signalkvalitet och långvarig drift. För detta ändamål presenterar detta papper en metod för att enkelt tillverka formbara tunna tatuerings- och mjuka textilbaserade sensorer för deras tillämpning som bärbara organiska elektroniska enheter i ett brett spektrum av ytelektrofysiologiska inspelningar.

Sensorerna utvecklas genom en kostnadseffektiv och skalbar process av kutan elektrodmönster med poly (3,4-etylendioxitiofen) -poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS), den mest populära ledande polymeren inom bioelektronik, på färdiga, bärbara substrat. Detta dokument presenterar viktiga steg i elektrodkarakterisering genom impedansspektroskopi för att undersöka deras prestanda vid signaltransduktion i kombination med huden. Jämförande studier krävs för att positionera prestandan hos nya sensorer i förhållande till den kliniska guldstandarden. För att validera de tillverkade sensorernas prestanda visar detta protokoll hur man utför olika biosignalinspelningar från olika konfigurationer genom en användarvänlig och bärbar elektronisk installation i laboratoriemiljö. Detta metodpapper kommer att möjliggöra flera experimentella initiativ för att främja den nuvarande tekniken inom bärbara sensorer för övervakning av människokroppens hälsa.

Introduction

Icke-invasiv biopotentialinspelning utförs genom hudkontaktelektroder, vilket ger en stor mängd data om människokroppens fysiologiska status inom fitness och sjukvård1. Nya typer av bärbara biomonitoreringsenheter har utvecklats från de senaste tekniska framstegen inom elektronik genom nedskalning av integrerade styr- och kommunikationskomponenter till bärbara dimensioner. Smarta övervakningsenheter genomsyrar marknaden dagligen och erbjuder flera övervakningsfunktioner med det slutliga målet att tillhandahålla tillräckligt fysiologiskt innehåll för att möjliggöra medicinsk diagnostik2. Därför utgör säkra, pålitliga och robusta gränssnitt med människokroppen kritiska utmaningar i utvecklingen av legitim bärbar teknik för hälso- och sjukvård. Tatuerings- och textilelektroder har nyligen dykt upp som pålitliga och stabila gränssnitt som uppfattas som innovativa, bekväma enheter för bärbar biosensing 3,4,5.

Tatueringssensorer är torra och tunna gränssnitt som på grund av sin låga tjocklek (~ 1 μm) säkerställer limfri, formbar hudkontakt. De är baserade på ett kommersiellt tillgängligt tatueringspapperssats som består av en skiktad struktur, vilket möjliggör frisättning av ett ultratunnt polymerskikt på huden6. Den skiktade strukturen möjliggör också enkel hantering av det tunna polymera skiktet under sensorns tillverkningsprocess och dess överföring till huden. Den slutliga elektroden är helt konform och nästan omärkbar för bäraren. Textilsensorer är elektroniska anordningar erhållna från tygfunktionalisering med elektroaktiva material7. De är huvudsakligen integrerade eller helt enkelt sydda i kläder för att säkerställa användarens komfort på grund av deras mjukhet, andningsförmåga och uppenbara affinitet med plagg. I nästan ett decennium har textil- och tatueringselektroder utvärderats i ytelektrofysiologiska inspelningar 3,8,9, vilket visar goda resultat både i bärbarhet och signalkvalitetsinspelningar och rapporterar högt signal-brusförhållande (SNR) i kort- och långsiktiga utvärderingar. De är också tänkta som en potentiell plattform för bärbar biokemisk svettanalys 1,10.

Det växande intresset för tatuering, textil och i allmänhet flexibel tunnfilmsteknik (t.ex. de som är gjorda av plastfolier som parylen eller olika elastomerer) främjas främst av kompatibiliteten med billiga och skalbara tillverkningsmetoder. Screentryck, bläckstråleutskrift, direkt mönstring, doppbeläggning och stämpelöverföring har framgångsrikt antagits för att producera sådana typer av elektroniska gränssnitt11. Bland dessa är bläckstråleutskrift den mest avancerade digitala och snabba prototyptekniken. Det appliceras huvudsakligen på mönstring av ledande bläck på ett kontaktfritt, additivt sätt under omgivande förhållanden och på en mängd olika substrat12. Även om flera bärbara sensorer har tillverkats genom ädelmetallbläckmönster13, är metallfilmer spröda och genomgår sprickbildning när de är mekaniskt stressade. Olika forskargrupper har antagit olika strategier för att förse metaller med egenskapen mekanisk kompatibilitet med huden. Dessa strategier inkluderar att minska filmtjockleken och använda serpentindesigner eller skrynkliga och försträckta underlag 14,15,16. Mjuka och inneboende flexibla ledande material, såsom ledande polymerer, fann sin tillämpning i flexibla bioelektroniska anordningar. Deras polymera flexibilitet kombineras med elektrisk och jonisk ledningsförmåga. PEDOT:PSS är den mest använda ledande polymeren inom bioelektronik. Det kännetecknas av mjukhet, biokompatibilitet, hållbarhet och tryckbearbetningsförmåga17, vilket gör den kompatibel med den utbredda produktionen av biomedicinska enheter.

Enheter, såsom plana elektroder anslutna till ett förvärvssystem, möjliggör registrering av biopotentialer i hälsoövervakning. Människokroppens biopotentialer är elektriska signaler som genereras av elektrogena celler som sprider sig genom kroppen upp till hudytan. Beroende på var elektroderna är placerade är det möjligt att förvärva data relaterade till hjärnans elektriska aktivitet (EEG), muskler (EMG), hjärta (EKG) och hudledningsförmåga (t.ex. bioimpedans eller elektrodermal aktivitet, EDA). Kvaliteten på data bedöms sedan för att utvärdera elektrodernas användbarhet i kliniska tillämpningar. En hög SNR definierar deras prestanda18, vilket vanligtvis jämförs med toppmoderna Ag / AgCl-elektrodinspelningar. Även om Ag/AgCl-elektroderna också har hög SNR, saknar de långsiktig drift och formbar bärbarhet. Högkvalitativa biosignalinspelningar ger insikter om människors hälsotillstånd relaterat till ett visst organs funktion. Således indikerar dessa fördelar med bekväma tatuerings- eller textilgränssnitt deras löfte för långsiktiga applikationer som kan möjliggöra verklig mobil hälsoövervakning och bana väg för utvecklingen av telemedicin19.

Denna uppsats rapporterar hur man tillverkar och bedömer tatuerings- och textilelektroder vid hälsobiomonitorering. Efter tillverkningen måste en ny elektrod karakteriseras. Vanligtvis antas elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att studera elektrodens elektriska prestanda med avseende på ett målgränssnitt (t.ex. hud) när det gäller överföringsfunktionen. EIS används för att jämföra impedansegenskaperna hos flera elektroder och utföra tester under olika förhållanden (t.ex. variera elektroddesignen eller studera långsiktiga svar). Detta dokument visar inspelningen av ytbiosignaler genom en enkel installation och rapporterar en användarvänlig metod för att spela in olika typer av biosignaler som är tillämpliga på alla nya tillverkade elektroder som behöver valideras för kutana biopotentialinspelningar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OBS: Experiment med människor involverade inte insamling av identifierbar privat information relaterad till individens hälsotillstånd och används endast här för teknisk demonstration. Data var i genomsnitt över tre olika ämnen. De elektrofysiologiska registreringarna har hämtats från tidigare publicerade data 6,21.

1. Bläckstråleskriven PEDOT: PSS-elektrodtillverkning

OBS: Följande protokoll har använts för att tillverka elektroder för elektrofysiologi på kommersiella, flexibla substrat-tatueringspapper6 och textil21. Samma tillvägagångssätt har till stor del antagits för att tillverka elektroder på flexibla underlag såsom tunna plastfolier22. I samtliga fall användes en bläckstråleskrivare för mönstring av PEDOT:PSS (se materialförteckningen).

  1. Förbehandling av elektrodsubstrat
    1. Skär en bit av substratet av intresse.
      1. När du använder ett tatueringssubstrat, tvätta det med vatten innan du skriver ut för att ta bort det översta, vattenlösliga lagret från papperet23.
        OBS: Tatueringspapperssatsen är också försedd med ett limark som används i detta arbete, både för att förbättra tatueringens vidhäftning och som ett passiveringsskikt. Tatueringspapper har en skiktad struktur (kompletterande figur S1), inklusive ett stödjande pappersark, ett vattenlösligt polyvinylalkoholskikt (PVA), en släppbar polyuretanfilm och ett översta PVA-lager. Limplåten har en skiktad struktur bestående av silikonpapper som stöd, vattenbaserat akryllim och ett topputlösningsfoder.
    2. För att tillverka bärbara sensorer, börja klippa substratet av intresse. Placera underlaget på skrivarplattan och tejpa kantlinjen för att hålla den platt.
  2. Utskrift av PEDOT:PSS-bläck
    1. Förbered designen för utskrift, till exempel en cirkel (12 mm diameter) med en rektangulär dyna längst ner (3 mm x 7 mm), den senare som ska användas för sammankopplingen.
    2. Fyll skrivarpatronerna (10 pl) med PEDOT: PSS kommersiellt bläck efter filtrering. Detta är en vattenhaltig dispersion av den ledande polymeren.
    3. Skriv ut designen på underlaget.
      1. När du använder tatueringspapper och textil, som har måttligt hög ytenergi respektive absorberande egenskaper, skriv ut med ett droppavstånd på ~ 20 μm.
      2. Skriv ut flera PEDOT:PSS-lager, antingen i följd eller genom att applicera en torkningsprocess (110 °C i 15 minuter) mellan skikten för att skapa ett homogent och kontinuerligt ledande mönster.
        OBS: Detta krävs särskilt när det gäller textilelektroder, där den 3D-liknande strukturen hos textilier kräver mer bläckinnehåll för att skapa en kontinuerlig ledande väg i tyget.
    4. Torka elektroden vid 110 °C i 15 minuter i ugnen för att slutföra lösningsmedelsindunstningen.
      OBS: Elektroder som erhållits på textil-, PET- och tatueringspapper (figur 1A-C) genom att skriva ut flera enheter i en körning (figur 1D) kan nu förvaras i en sluten, ren och torr miljö innan du fortsätter med nästa steg.
  3. Tillverkning av extern kontakt
    1. Tatuering elektroder
      1. Skär en rektangulär bit av polyetennaftalat (PEN) substrat (8 mm x 12 mm, 1,3 mm tjocklek).
      2. Skriv ut en rektangulär design (3 mm x 12 mm) med tre PEDOT:PSS-lager ovanpå underlaget.
      3. Torka det tryckta provet i ugnen vid 110 °C i 15 min.
      4. Laminera PEN-sammankopplingen på tatueringselektroden, med de rektangulära PEDOT: PSS-delarna vända mot varandra.
      5. Skär ett hål (diameter 11,3 mm) i tatueringspapperets limplåt. Rikta in detta hål på limplåten med den cirkulära avkänningsdelen av tatueringen PEDOT: PSS-elektroden. Lägg till en bit polyimidtejp (se materialförteckningen) på den fria änden av PEN-sammankopplingen.
    2. Textil- och plastfolieelektroder
      1. Fäst en bit ledande tejp (t.ex. koppartejp) runt den rektangulära tryckta anslutningen för att få en robust och stabil sammankoppling.
      2. Anslut en pogo-stiftkontakt till kopparbandet och anslut pogo-stiftet till inspelningssystemet.
  4. Överföring av tatueringselektrod
    1. Ta bort limfodret. Placera tatueringen på önskad del av huden.
    2. Våt det bakre stödpapperet och håll tatueringen på plats. När det bakre stödpapperet är blött, skjut det för att ta bort det och lämna endast elektroden gjord av den överförbara ultratunna filmen på huden.
    3. Anslut den platta PEN-kontakten till den externa anskaffningsenheten. Se avsnitt 1.3.
  5. Textil elektrodpositionering
    1. Placera elektroden på huden. Med hjälp av ett tygsportarmband eller medicinsk tejp, håll elektroden i stabil kontakt med huden för att säkerställa högkvalitativa signalinspelningar under rörelse.
  6. Utför önskad ytelektrofysiologisk inspelning. Tvätta bort tatueringselektroderna efter inspelningarna genom att gnugga dem med en våt svamp.

2. Elektrodekarakterisering med elektrokemisk impedansspektroskopi

  1. Mätning på kroppen
    1. Se till att volontären sitter bekvämt med en arm placerad på ett bord i vila.
      OBS: Ingen hudrengöring eller skrubbning behövs.
  2. Elektrod placering
    1. Placera en elektrod på huden och anslut den till den fungerande elektrodavkännande elektroden (WE-S) i EIS.
    2. Placera en annan elektrod 3 cm från den första och anslut den till eis-motelektroden (CE).
    3. Placera den tredje elektroden på armbågen och anslut den till referenselektroden (RE) i EIS. Se figur 2A för inställning av de tre elektroderna.
      OBS: Elektroderna som är anslutna till CE och RE för EIS kan vara både Ag / AgCl-elektroder eller gjorda av PEDOT: PSS, vilket är fallet för WE i denna studie.
  3. Starta inspelningen på EIS-potentiostaten. Applicera en ström mellan räknaren och arbetselektroderna. Mät den potentiella variationen mellan referens- och avkänningsparet.
    OBS: Tatuerings- och textilelektrodanslutningen med förvärvssystemet kan göras med ett klämma för att bilda en stabil elektrisk anslutning med potentiostatkablarna. Utgångsimpedansen som beräknas vid varje frekvens består av två bidrag: hudimpedans och hudelektrodkontaktimpedans.

3. Elektrofysiologiska ytfotografiska registreringar

OBS: I följande avsnitt beskrivs elektrodplaceringen för varje biosignal av intresse. När elektroderna är korrekt placerade och väl fästa vid huden kan de anslutas till det bärbara förvärvssystemet för att starta inspelningarna. Videoinnehållet i den här artikeln visar ett exempel på elektrofysiologisk övervakning med kommersiellt tillgängliga Ag/AgCl-elektroder och en bärbar elektronisk enhet.

  1. För EKG, anta en bärbar konfiguration med två eller tre (en används som jord) elektroder. Placera elektroderna i flera kroppsområden (t.ex. bröst, handleder, revben) med ett minsta inteelektrodavstånd på 6 cm för att få en märkbar signal.
    OBS: En klassisk plats innebär placering av två elektroder på vänster och höger nyckelben; i detta fall kan jordelektroden placeras på vänster iliac crest.
  2. För inspelning av muskelelektrisk aktivitet (EMG), placera elektroderna längs muskeln av intresse (t.ex. på biceps eller kalven). Placera jordelektroden på en statisk plats, t.ex. ett intilliggande ben.
  3. För registrering av elektrisk aktivitet i hjärnan (EEG), placera elektroderna på flera platser på huvudet.
    OBS: Bekväma platser är pannan och runt de yttre öronen. En referenselektrod kan krävas, vanligtvis bakom örat på mastoidbenet.
  4. För elektrodermala aktivitetsmätningar (EDA), placera två elektroder på vänster handflata. Utför inspelningen när motivet är i vila eller tränar.
    OBS: Hudimpedans kan mätas över hela kroppsytan (t.ex. revbenen, på ryggen, på fotsulan); ett tillräckligt avstånd på 6 cm säkerställer god övervakning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Detta papper visar tillverkningen av bekväma hudkontaktelektroder genom bläckstråleutskrift och en metod för att karakterisera dem och utföra elektrofysiologiska inspelningar. Vi rapporterade tillverkningsstegen för PEDOT: PSS-bläckstråleutskrift direkt på olika underlag, såsom tyg (figur 1A), PEN (figur 1B) och tatueringspapper (figur 1C, D) som referens. De föreslagna konstruktionerna i protokollsteg 1.2.1. och steg 1.3.1.5. definiera ett cirkulärt avkänningsområde på 1 cm2 för att jämföra elektroder med den senaste Ag / AgCl som huvudsakligen används i kliniker.

För att karakterisera elektrodernas prestanda mättes deras impedanser genom EIS-inställningen med tre elektroder (figur 2A,B). Denna metod möjliggör studier av hudelektrodimpedans vid utförande av mätningar på kroppen med elektroder placerade på armen. Som ett exempel rapporteras den representativa impedansen för textilelektroder i figur 2C, där impedansmodulen rapporteras i Bode-diagrammet. Textilelektroder uppvisar något högre men jämförbara impedanser än Ag/AgCl-elektroder, guldstandarden inom elektrofysiologi. Formen på impedansmodulen (figur 2C) indikerar ett något högre resistivt beteende när det gäller textilelektroderna, medan standarden Ag / AgCl visar typiskt resistivt kapacitivt beteende24. Alla tre typer av elektroder, tatuering, textil och tunnfolier, har studerats via EIS, vilket möjliggör karakterisering av deras gränssnitt mot huden25.

Genom att placera elektroderna på huden i olika kroppsdelar, som visas i figur 3, har vi tillgång till flera biosignaler (t.ex. EEG, EKG, EMG och EDA). Biosignalinspelningar kan enkelt erhållas genom att ansluta elektroderna till lämplig bärbar eller lab-skala instrumentering. Figur 3A visar EEG-spårningen - den elektriska aktivitetsregistreringen av populationer av aktiva neuroner. En av de grundläggande grupperna av hjärnvågor är alfavågorna (8-13 Hz). Alfavågorna återspeglar hjärnans tillstånd under avslappning och kan induceras genom att be försökspersonen att stänga ögonen26. Den grå vertikala streckade linjen (figur 3A) markerar det ögonblick i inspelningen då volontären ombads att öppna ögonen. I EKG-spårningen i figur 3B representeras polarisationen och depolariseringen av hjärtans förmak och ventriklar av det karakteristiska mönstret bestående av P-vågen, QRS-komplexet och en T-våg27. I figur 3B är QRS-komplexet identifierbart och R-topparna visar den högsta amplituden och används för att beräkna hjärtfrekvensen genom att överväga tiden mellan två på varandra följande.

Figur 3C visar EMG-spårningen medan volontären gradvis ökade kraften i armmusklerna. Den intensifierade muskelaktiviteten kvantifieras av den ökade amplituden hos spänningstopparna. I en EMG-spårning återspeglar spikar med amplitud från några mikrovolt till några millivolt, i frekvensområdet 10-1 000 Hz, muskelfiberaktiviteten som drivs av motorenhetens åtgärdspotentialer. Figur 3D visar EDA-spårningen som vanligtvis består av toniska och fasiska komponenter. Den toniska komponenten återspeglar hudens konduktansnivå och motsvarar bakgrundssignalen. Den fasiska komponenten återspeglar ämnets svar på en specifik stimulans och kan detekteras genom en förändring i hudkonduktansvärdet28. Denna spårning används för att utvärdera mänskliga stressnivåer och kroppshydrering.

Figure 1
Figur 1: PEDOT:PSS-bläckstråletryckta elektroder. Elektroder tryckta på (A) 100% bomullstyg, (B) PET-folie och (C) tillfälligt tatueringspapper. (D) Fotografi av bläckstråleskrivaren vid utskrift av flera PEDOT: PSS-elektroder på tatueringspappersunderlag. Förkortningar: PET = polyetentereftalat; PEDOT:PSS = poly(3,4-etylendioxitiofen)-poly(styrensulfonat). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: EIS-mätningar. Arbetselektroden placeras 3 cm från räknarens Ag/AgCl-elektrod. referensen Ag/AgCl placeras på volontärens armbåge. (B) Schema för treelektrodkonfigurationen för EIS-mätningar på huden. En ström appliceras mellan räknaren och arbetselektroderna, och spänningen mäts mellan referens- och avkänningselektroderna. (C) Impedansmodul för Ag / AgCl och PEDOT: PSS-jonisk flytande geltextilelektroder (blå respektive gröna kurvor). Impedansen mättes med en treelektrod på armen. Denna siffra har modifierats från Bihar et al.21. Förkortningar: EIS = elektrokemisk impedansspektroskopi; CE = motelektrod; WE = arbetselektrod; RE = referenselektrod; S = avkänningselektrod; PEDOT: PSS = poly(3,4-etylendioxitiofen)-poly(styrensulfonat). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Elektrodkroppspositioneringsschema med respektive elektrofysiologiska registreringsspårningar. Den streckade vertikala linjen indikerar övergången från ett tillstånd med alfavågor till ett tillstånd utan, vilket sammanfaller med när volontären ombads att öppna ögonen. (B) Spårning av EKG. De övre spikarna representerar R-topparna som tillhör QRS-komplexet. (C) EMG-spårning. Muskelaktiviteten representeras av en spänningssignal vars amplitud ökar med den ökande aktiviteten hos muskeln som framkallas av volontären. D) Spårning av EDA. Under de första 2 s representerar signalen den toniska komponenten, medan dess följande amplitudökning indikerar den fasiska komponenten, som speglar volontärens svar på en stimulans. Alla inspelningar utfördes med Ag/AgCl-elektroder på en frisk volontär. Förkortningar: EEG = elektroencefalografi; EKG = elektrokardiografi; EMG = elektromyografi; EDA = elektrodermal aktivitet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur S1: Tatueringspapper skiktat strukturschema. Ett underlagspappersark stöder den släppbara nanofilmen tillverkad med en blandning av polyuretan och andra polymerer. Två vattenlösliga polyvinylalkoholskikt (PVA) täcker båda sidor av filmen. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Detta dokument beskriver en enkel och skalbar process för att tillverka bärbara elektroder och demonstrerar en metod för inspelning av elektrofysiologiska biosignaler. Den använder tre exempel på bärbara underlag, såsom tatuering, textil och tunna filmer. Den introducerar hur man bygger en sensor på dessa underlag och karakteriserar dess prestanda före dess tillämpning. För att tillverka elektroderna här använde vi PEDOT: PSS, en ledande polymer som sticker ut från metallbaserade ledare på grund av dess kostnadseffektivitet, mångsidiga bearbetbarhet, biokompatibilitet, mjukhet och hållbarhet för dess kompatibilitet med grön bearbetning29. PEDOT:PSS-mönstring på färdiga underlag uppnåddes via en bläckstråleutskriftsteknik som möjliggör exakt kontroll av bläckavsättningen med designfrihet (figur 1).

Bläckstråleutskrift är en kontaktfri teknik som möjliggör selektiv funktionalisering av flexibla och okonventionella substrat som är kemiskt och fysiskt oförenliga med traditionella fotolitografiska mikrofabrikationsprocesser. Jämfört med screentryck, en annan teknik som ofta används för elektrodtillverkning, kräver bläckstråleskrivare inte masker, vilket resulterar i lägre bläckavfall och enkel anpassning30. Bläckstråletekniken styr tjockleken noggrant genom flera lagers avsättning (bläckstråle: <1 μm jämfört med skärm: >en fåtal μm). Vid utskrift på tatueringspapper (figur 1D) är ett PEDOT: PSS-tryckt skikt (tjocklek på 240 nm ± 30 nm) tillräckligt för att få en homogen ledande film (figur 1C), med en tjocklek under mikrometer som naturligt fäster vid huden efter dess rugositet31. Men vid utskrift på tyger faller bläcket över de porösa 3D-strukturerna som skapas av stickade eller viftade garner (figur 1A). Flera lager är nödvändiga för att få elektrisk anslutning mellan de belagda fibrerna, vilket funktionaliserar textilmaterialet på ett kontrollerat och anpassat sätt32.

Vid utskrift på nya och atypiska underlag är det viktigt att hitta det optimala antalet tryckta lager, med tanke på avvägningen mellan tillverkningsprocessens prestanda och hastighet. Vid tillverkning av textilelektroder måste man vara uppmärksam på att hålla underlaget plant under tryckningen (se protokollavsnitt 1.3). Därför bör utskriftsstrategin överväga att optimera utskriftslayouten i flerskiktsdeposition och en möjlighet till inriktning vid deponering av på varandra följande material.

Det är dock viktigt att påpeka vissa begränsningar av dessa elektroder och deras tillverkning. Textilelektroder kan behöva ytterligare utskriftssteg av en gelelektrolyt. Det har visat sig att det spelar en nyckelroll för att minska hudelektrodkontaktimpedansen, vilket ger högkvalitativa biosignalinspelningar33 Dessutom är tvättbarheten hos textilbärbara sensorer en kritisk aspekt när man planerar full integration i kläder. De fysikalisk-kemiska egenskaperna hos textilsubstratet och det ledande polymerbläcket påverkar den slutliga enhetens överensstämmelse med tvättcyklerna. Därför bör man uttömmande undersöka ovannämnda aspekt för att fullt ut bedöma deras långsiktiga prestanda.

Vid tillverkning av tatueringssensorer är ett känsligt steg att hitta den bästa elektriska sammankopplingen mellan tatueringssensorn och förvärvssystemet (se protokollavsnitt 1.3.). Faktum är att tatueringstekniken har fått intresse på grund av det tunna filmformatet som gör tatueringselektroder omärkliga. Därför kräver deras manipulation särskild försiktighet när mekanisk spänning appliceras, särskilt på sammankopplingsdelen. Det är också viktigt att komma ihåg överföringsmekanismen för tatueringar på huden som kräver vätning av stödpapperet med vatten. Även om denna metod är enkel, kommer all plötslig kontakt mellan vatten och den redan överförda tatueringssensorn att delaminera den senare. Medan konformiteten hos ultratunna tatueringar är en viktig fördel för bärbar teknik, begränsar sårbarheten för vatten och gnidning av mekaniska påfrestningar tatueringssensorns driftsperiod till ett par dagar.

När en ny typ av elektrod introduceras hjälper EIS till att tillhandahålla den primära bedömningen av elektrodens prestanda jämfört med riktmärket (Ag / AgCl-elektroderna) innan man går vidare med en applikation. Protokollavsnitt 2 beskrev EIS-mätningarna av de tillverkade elektroderna när de placeras direkt på människokroppen för att få insikter om hur de är elektriskt kopplade till huden. Treelektrodkonfigurationen (figur 2A,B) utvärderar signalöverföringsförmågan genom hudelektrodgränssnittet. Den nya elektroden som ska undersökas är den som är ansluten till WE och S i EIS. De andra två elektroderna används som CE och RE. EIS utförs i ett potentiostatiskt läge, där en liten (0,1 V) sinusformad ström (0,1-100 Hz) appliceras mellan CE och WE, medan den potentiella variationen mäts över RE-S-paret. Impedansen beräknas sedan vid varje frekvens. Den uppmätta impedansen består av två bidrag: hudimpedansen och hudelektrodkontaktimpedansen.

De kapacitiva och resistiva beteendena hos en elektrod definieras från EIS-diagrammen (figur 2C). Genom att utveckla likvärdiga kretsar för att passa experimentella data är det möjligt att förstå hur en elektrod omvandlar biosignaler och vilken typ av gränssnitt den etablerar med huden34. Medan tatueringselektroder är torra och vidhäftande på huden, skiljer sig deras impedanser något från de vanliga gelerade Ag / AgCl-elektroderna. Närvaron av ett gelgränssnitt mellan huden och elektroden främjar signaltransduktion och sänker kontaktimpedansen.

Mekanisk styrka är en annan viktig egenskap hos bärbara datorer. Textil PEDOT: PSS-elektroder har visat sig motstå sträckspänning33. I kombination med tryckta joniska flytande geler erbjuder de stabil elektrisk kontakt med huden och mekanisk robusthet under bärbara förhållanden. Töjbarheten, mjukheten och den strukturella porositeten, som ger förmågan att passera svett på grund av kontakt med människokroppen, driver denna typ av elektrod till att vara den mest lämpliga tekniken för bärbar elektronik. Återigen är sammankopplingen med elektroniska system fortfarande känslig. Därför kan dessa system deponeras direkt i tyget.

Den ultimata valideringen av kutana sensorer kan endast utföras på försökspersoner. Kutana sensorer konditioneras av hudens variation mellan motiv och olika dynamiska faktorer och miljöförhållanden, vilket direkt påverkar deras prestanda. Här har vi visat hur man får meningsfulla EEG-, EKG-, EMG- och EDA-spårningar via en helt bärbar plattform. Elektrodplacering spelar en viktig roll för att få tillförlitlig och korrekt information under övervakningen. Analysen av inspelningarna som visas i figur 3 kan bekräfta elektrodens förmåga i elektrofysiologiska inspelningar och få värdefulla resultat från kroppsövervakningen. Inspelningsförmågan varierar från extremt svag neural aktivitet (figur 3A) till muskelsammandragningar med hög effekt (figur 3C).

I figur 3B och figur 3D visar hjärtaktiviteten och de elektrodermala svaren upplösningen och känsligheten hos de tillverkade elektroderna. Biosignalinspelning ger användbara data om användarens kroppshälsa, prestanda under specifika förhållanden och svar på specifika interna eller externa stimuli, vilket utökar deras tillämpning till en mängd olika biomedicinska studier. Flera bärbara elektronikfrontends finns för att förvärva biosignaler som EKG, EMG, EEG och EDA. Exempel är de bärbara elektrofysiologiska förstärkarchipsen RHD2216 från Intan Technologies, Shimmer wearable, DueLite-enheten från OT Bioelettronica, den trådlösa PLUX-enheten i den avancerade versionen (kallad Biosignal PLUX) eller DIT-versionen (som heter BITalino).

Sammanfattningsvis kan flera sensorer tillverkas med de presenterade protokollen för en mängd olika hälsoövervakningsapplikationer. Till exempel har tatueringsbaserade PEDOT: PSS multielektrodmatriser (MEA) framgångsrikt använts för ansikts-EMG eftersom de inte försämrar naturliga ansiktsrörelser och tillåter biosignalinspelning fri från förändring25,35. Tunna och töjbara elektroder har dock tillverkats genom bläckstråleutskrift PEDOT: PSS på billigt, töjbart strumpbyxor, vilket ger högkvalitativa EKG-inspelningar, både under vilo- och rörelseförhållanden, med minimalt obehag för användaren33. Med detta protokoll fick vi mjuka, formbara och bekväma hudsensorer genom mönstring av ledande bläck på färdiga underlag. Bläckstråleutskrift är en billig och skalbar teknik som sticker ut från traditionella mikroelektroniska tillverkningsprocesser. Den föreslagna metoden beskriver hur man förvärvar elektrofysiologiska signaler, som varierar från svag neural aktivitet till muskelkontraktioner med hög effekt. Dessa signaler gör det möjligt att få insikter om användarens kropps fysiologiska status. Sammantaget presenterar vi inledande steg om genomförbarheten av sömlösa bärbara elektroniska enheter för en mängd olika biomedicinska applikationer, som sträcker sig från fitness till sjukvårdsövervakning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inga intressekonflikter att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av den franska nationella forskningsbyrån genom ANR JCJC OrgTex-projektet (ANR-17-CE19-0010). Det har också fått finansiering från Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram Horizon 2020 enligt Marie Sklodowska-Curie-bidragsavtalet nr 813863. E.I. vill tacka CMP:s renrumspersonal vid Centre Microelectronics i Provence för deras tekniska stöd under projektets utveckling.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kim, J., et al. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system. ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).
  2. 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).
  3. Kim, D. H., et al. Epidermal electronics. Science. 333 (6044), 838-843 (2011).
  4. Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).
  5. Windmiller, J. R., et al. Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos. Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Wang, Y., et al. Electrically compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiology at scale. Science Advances. 6 (43), (2020).
  10. Fan, W., et al. Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring. Science Advances. 6 (11), (2020).
  11. 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).
  12. Magliulo, M., et al. Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices. Journal of Materials Chemistry C. 3 (48), 12347-12363 (2015).
  13. 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).
  14. Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499 (7459), 458-463 (2013).
  15. Kim, D. H., et al. Optimized structural designs for stretchable silicon integrated circuits. Small. 5 (24), 2841-2847 (2009).
  16. 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).
  17. Martin, D. C., Malliaras, G. G. Interfacing electronic and ionic charge transport in bioelectronics. ChemElectroChem. 3 (5), 686-688 (2016).
  18. Inzelberg, L., Hanein, Y. Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship. Frontiers in Neuroscience. 12, 992 (2019).
  19. Kim, J., Campbell, A. S., de Ávila, B. E. F., Wang, J. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).
  20. 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).
  21. Bihar, E., et al. Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography. Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004 (2018).
  22. Seekaew, Y., et al. Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection. Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).
  23. 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).
  24. Searle, A., Kirkup, L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).
  25. Ferrari, L. M., et al. Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology. Advanced Science. 5 (3), 1700771 (2018).
  26. Teplan, M. Fundamental of EEG measurement. Measurement Science Review. 2 (2), 1-11 (2002).
  27. Pachori, R., Gupta, V. Biomedical engineering fundamentals. Intelligent Internet of Things. From Device to Fog and Cloud. Firouzi, F., Chakrabarty, K., Nassif, S. , Springer. Cham. 547-605 (2019).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Bonnassieux, Y., et al. The 2021 flexible and printed electronics roadmap. Flexible and Printed Electronics. 6, 023001 (2022).
  31. Nawrocki, R. A. Super- and ultrathin organic field-effect transistors: from flexibility to super- and ultraflexibility. Advanced Functional Materials. 29 (51), 1-12 (2019).
  32. 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).
  33. Bihar, E., et al. Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology. Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251 (2017).
  34. 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).
  35. 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).

Tags

Bioteknik utgåva 185 Ytelektrofysiologi bärbara datorer bläckstråletryck PEDOT: PSS tatuering textil
Formbara bärbara elektroder: Från tillverkning till elektrofysiologisk bedömning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Galliani, M., Ferrari, L. M.,… More

Galliani, M., Ferrari, L. M., Ismailova, E. Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment. J. Vis. Exp. (185), e63204, doi:10.3791/63204 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter