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Bioengineering

Electrodos portátiles conformables: de la fabricación a la evaluación electrofisiológica

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

Dos tecnologías recientes, el tatuaje y los textiles, han demostrado resultados prometedores en la detección cutánea. Aquí, presentamos los métodos de fabricación y evaluación de electrodos de tatuajes y textiles para la detección electrofisiológica cutánea. Estas interfaces electrónicas hechas de polímeros conductores superan los estándares existentes en términos de comodidad y sensibilidad.

Abstract

Los dispositivos electrónicos portátiles se están convirtiendo en actores clave en el monitoreo de las señales corporales predominantemente alteradas durante el seguimiento de la actividad física. Teniendo en cuenta el creciente interés en la telemedicina y la atención personalizada impulsado por el auge de la era del Internet de las cosas, los sensores portátiles han ampliado su campo de aplicación en la atención médica. Para garantizar la recopilación de datos clínicamente relevantes, estos dispositivos deben establecer interfaces conformes con el cuerpo humano para proporcionar grabaciones de alta calidad de señal y operación a largo plazo. Con este fin, este documento presenta un método para fabricar fácilmente sensores conformables basados en tatuajes delgados y textiles blandos para su aplicación como dispositivos electrónicos orgánicos portátiles en un amplio espectro de registros electrofisiológicos de superficie.

Los sensores se desarrollan a través de un proceso rentable y escalable de modelado de electrodos cutáneos utilizando poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato) (PEDOT: PSS), el polímero conductor más popular en bioelectrónica, en sustratos portátiles listos para usar. Este artículo presenta pasos clave en la caracterización de electrodos a través de la espectroscopia de impedancia para investigar su rendimiento en la transducción de señales cuando se combina con la piel. Se requieren estudios comparativos para posicionar el rendimiento de los nuevos sensores con respecto al estándar de oro clínico. Para validar el rendimiento de los sensores fabricados, este protocolo muestra cómo realizar varias grabaciones de bioseñales desde diferentes configuraciones a través de una configuración electrónica portátil y fácil de usar en un entorno de laboratorio. Este documento de métodos permitirá múltiples iniciativas experimentales para avanzar en el estado actual del arte en sensores portátiles para el monitoreo de la salud del cuerpo humano.

Introduction

El registro biopotencial no invasivo se realiza a través de electrodos de contacto con la piel, proporcionando una gran cantidad de datos sobre el estado fisiológico del cuerpo humano en la aptitud física y la atención médica1. Se han desarrollado nuevos tipos de dispositivos de biomonitoreo portátiles a partir de los últimos avances tecnológicos en electrónica a través de la reducción de escala de componentes integrados de control y comunicación a dimensiones portátiles. Los dispositivos de monitoreo inteligente impregnan el mercado diariamente, ofreciendo múltiples capacidades de monitoreo con el objetivo final de proporcionar suficiente contenido fisiológico para permitir el diagnóstico médico2. Por lo tanto, las interfaces seguras, confiables y robustas con el cuerpo humano presentan desafíos críticos en el desarrollo de tecnologías portátiles legítimas para la atención médica. Los electrodos para tatuajes y textiles han aparecido recientemente como interfaces confiables y estables percibidas como dispositivos innovadores y cómodos para la biodetección portátil 3,4,5.

Los sensores de tatuaje son interfaces secas y delgadas que, debido a su bajo grosor (~ 1 μm), aseguran un contacto con la piel conformable y sin adhesivos. Se basan en un kit de papel para tatuajes disponible comercialmente compuesto por una estructura en capas, que permite la liberación de una capa polimérica ultrafina en la piel6. La estructura en capas también permite un fácil manejo de la capa polimérica delgada durante el proceso de fabricación del sensor y su transferencia a la piel. El electrodo final es totalmente conformable y casi imperceptible para el usuario. Los sensores textiles son dispositivos electrónicos obtenidos de la funcionalización de tejidos con materiales electroactivos7. Se integran principalmente o simplemente se cosen en la ropa para garantizar la comodidad del usuario debido a su suavidad, transpirabilidad y evidente afinidad con las prendas. Durante casi una década, los electrodos textiles y de tatuajes se han evaluado en registros electrofisiológicos de superficie 3,8,9, mostrando buenos resultados tanto en registros de usabilidad como de calidad de señal e informando una alta relación señal-ruido (SNR) en evaluaciones a corto y largo plazo. También se conciben como una plataforma potencial para el análisis bioquímico del sudor portátil 1,10.

El creciente interés en las tecnologías de tatuajes, textiles y, en general, de película delgada flexible (por ejemplo, las hechas de láminas de plástico como el parileno o diferentes elastómeros) se promueve principalmente por la compatibilidad con métodos de fabricación escalables y de bajo costo. La serigrafía, la impresión de inyección de tinta, el modelado directo, el recubrimiento por inmersión y la transferencia de sellos se han adoptado con éxito para producir este tipo de interfaces electrónicas11. Entre estos, la impresión de inyección de tinta es la técnica de prototipado digital y rápida más avanzada. Se aplica principalmente al modelado de tintas conductoras sin contacto, de manera aditiva en condiciones ambientales y en una gran variedad de sustratos12. Aunque se han fabricado múltiples sensores portátiles a través de patrones de tinta de metal noble13, las películas de metal son frágiles y se agrietan cuando se estresan mecánicamente. Diferentes grupos de investigación han adoptado diferentes estrategias para dotar a los metales de la propiedad de compatibilidad mecánica con la piel. Estas estrategias incluyen la reducción del grosor de la película y el uso de diseños serpentinos o sustratos arrugados y pretirmados 14,15,16. Los materiales conductores blandos e intrínsecamente flexibles, como los polímeros conductores, encontraron su aplicación en dispositivos bioelectrónicos flexibles. Su flexibilidad polimérica se combina con conductividad eléctrica e iónica. PEDOT:PSS es el polímero conductor más utilizado en bioelectrónica. Se caracteriza por su suavidad, biocompatibilidad, sostenibilidad y procesabilidad de impresión17, que lo hacen compatible con la producción generalizada de dispositivos biomédicos.

Los dispositivos, como los electrodos planos conectados a un sistema de adquisición, permiten el registro de biopotenciales en el monitoreo de la salud. Los biopotenciales del cuerpo humano son señales eléctricas generadas por células electrogénicas que se propagan a través del cuerpo hasta la superficie de la piel. De acuerdo con el lugar donde se colocan los electrodos, es posible adquirir datos relacionados con la actividad eléctrica del cerebro (EEG), los músculos (EMG), el corazón (ECG) y la conductividad de la piel (por ejemplo, bioimpedancia o actividad electrodérmica, EDA). A continuación, se evalúa la calidad de los datos para evaluar la usabilidad de los electrodos en aplicaciones clínicas. Un SNR alto define su rendimiento18, que generalmente se compara con las grabaciones de electrodos Ag / AgCl de última generación. Aunque los electrodos Ag /AgCl también tienen un SNR alto, carecen de operatividad a largo plazo y capacidad de desgaste conforme. Las grabaciones de bioseñales de alta calidad proporcionan información sobre el estado de salud humana relacionado con la función de un órgano en particular. Por lo tanto, estos beneficios de las cómodas interfaces de tatuaje o textiles indican su promesa para aplicaciones a largo plazo que pueden permitir el monitoreo de la salud móvil en la vida real y allanar el camino para el desarrollo de la telemedicina19.

Este artículo informa cómo fabricar y evaluar electrodos de tatuajes y textiles en el biomonitoreo de la salud. Después de su fabricación, se debe caracterizar un electrodo novedoso. Por lo general, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se adopta para estudiar el rendimiento eléctrico del electrodo con respecto a una interfaz objetivo (por ejemplo, la piel) en términos de la función de transferencia. EIS se utiliza para comparar las características de impedancia de múltiples electrodos y realizar pruebas en diferentes condiciones (por ejemplo, variando el diseño del electrodo o estudiando respuestas a largo plazo). Este documento muestra el registro de bioseñales de superficie a través de una configuración fácil e informa de un método fácil de usar para registrar diferentes tipos de bioseñales aplicables a cualquier electrodo fabricado novedoso que necesite ser validado para registros biopotenciales cutáneos.

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Protocol

NOTA: Los experimentos con sujetos humanos no involucraron la recopilación de información privada identificable relacionada con el estado de salud del individuo y solo se utilizan aquí para demostraciones tecnológicas. Los datos se promediaron en tres sujetos diferentes. Los registros electrofisiológicos fueron extraídos de datos previamente publicados 6,21.

1. Fabricación de electrodos PEDOT: PSS impresa por inyección de tinta

NOTA: El siguiente protocolo se ha utilizado para fabricar electrodos para electrofisiología en sustratos comerciales flexibles: papelde tatuaje 6 y textil21. El mismo enfoque se ha adoptado en gran medida para fabricar electrodos en sustratos flexibles como láminas de plástico delgadas22. En todos los casos, se utilizó una impresora de inyección de tinta para el modelado de PEDOT:PSS (ver la Tabla de Materiales).

  1. Preprocesamiento de sustrato de electrodos
    1. Cortar un trozo del sustrato de interés.
      1. Cuando use un sustrato para tatuajes, lávelo con agua antes de imprimir para eliminar la capa más alta soluble en agua del papel23.
        NOTA: El kit de papel para tatuajes también está provisto de una hoja de pegamento utilizada en este trabajo, tanto para mejorar la adhesión del tatuaje como como una capa de pasivación. El papel para tatuajes tiene una estructura en capas (Figura suplementaria S1), que incluye una hoja de papel de soporte, una capa de polivinilalcohol (PVA) soluble en agua, una película de poliuretano liberable y una capa de PVA superior. La hoja de pegamento tiene una estructura en capas compuesta de papel de silicona como soporte, pegamento acrílico a base de agua y un revestimiento de liberación superior.
    2. Para fabricar sensores portátiles, comience a cortar el sustrato de interés. Coloque el sustrato en la placa de la impresora, pegando su borde para mantenerlo plano.
  2. Impresión de tinta PEDOT:PSS
    1. Preparar el diseño para imprimir, como un círculo (12 mm de diámetro) con una almohadilla rectangular en la parte inferior (3 mm x 7 mm), esta última para ser utilizada para la interconexión.
    2. Llene los cartuchos de la impresora (10 pl) con la tinta comercial PEDOT:PSS después de filtrarla. Esta es una dispersión acuosa del polímero conductor.
    3. Imprima el diseño en el sustrato.
      1. Cuando use papel para tatuajes y textiles, que tienen una energía superficial moderada-alta y propiedades de absorción, respectivamente, imprima con un espaciado de gotas de ~ 20 μm.
      2. Imprima múltiples capas PEDOT:PSS, ya sea consecutivamente o aplicando un proceso de secado (110 °C durante 15 min) entre las capas para crear un patrón conductor homogéneo y continuo.
        NOTA: Esto es especialmente necesario en el caso de los electrodos textiles, donde la estructura similar a 3D de los textiles requiere más contenido de tinta para crear una ruta conductora continua dentro de la tela.
    4. Seque el electrodo a 110 °C durante 15 min en el horno para completar la evaporación del disolvente.
      NOTA: Los electrodos obtenidos en papel textil, PET y tatuaje (Figura 1A-C) mediante la impresión de múltiples dispositivos en una sola tirada (Figura 1D) ahora se pueden almacenar en un entorno cerrado, limpio y seco antes de continuar con los siguientes pasos.
  3. Fabricación de conectores externos
    1. Electrodos para tatuajes
      1. Cortar una pieza rectangular de sustrato de naftalato de polietileno (PEN) (8 mm x 12 mm, 1,3 mm de espesor).
      2. Imprima un diseño rectangular (3 mm x 12 mm) con tres capas PEDOT:PSS en la parte superior del sustrato.
      3. Secar la muestra impresa en el horno a 110 °C durante 15 min.
      4. Laminar la interconexión PEN en el electrodo del tatuaje, con las partes rectangulares PEDOT:PSS una frente a la otra.
      5. Corte un agujero (diámetro 11,3 mm) en la hoja de pegamento de papel para tatuajes. Alinee este orificio de la lámina de pegamento con la parte de detección circular del electrodo PEDOT: PSS del tatuaje. Agregue un trozo de cinta de poliimida (consulte la Tabla de materiales) en el extremo libre de la interconexión PEN.
    2. Electrodos de lámina textil y plástica
      1. Coloque un trozo de cinta conductora (por ejemplo, cinta de cobre) alrededor de la conexión impresa rectangular para obtener una interconexión robusta y estable.
      2. Conecte un conector de pin pogo en la cinta de cobre y conecte el pin pogo al sistema de grabación.
  4. Transferencia de electrodos de tatuaje
    1. Retire el forro de pegamento. Coloque el tatuaje en la parte deseada de la piel.
    2. Moje el papel de soporte de la espalda, manteniendo el tatuaje en su posición. Una vez que el papel de soporte posterior esté empapado, deslícelo para retirarlo, dejando solo el electrodo hecho de la película ultrafina transferible en la piel.
    3. Conecte el contacto PEN plano a la unidad de adquisición externa. Ver sección 1.3.
  5. Posicionamiento de electrodos textiles
    1. Coloque el electrodo sobre la piel. Con la ayuda de un brazalete deportivo de tela o cinta médica, mantenga el electrodo en contacto estable con la piel para garantizar grabaciones de señal de alta calidad durante el movimiento.
  6. Realizar el registro electrofisiológico superficial deseado. Lave los electrodos del tatuaje después de las grabaciones frotándolos con una esponja húmeda.

2. Caracterización de electrodos mediante espectroscopia de impedancia electroquímica

  1. Medición en el cuerpo
    1. Asegúrese de que el voluntario esté cómodamente sentado con un brazo colocado sobre una mesa en reposo.
      NOTA: No se necesita limpieza o lavado de la piel.
  2. Colocación de electrodos
    1. Coloque un electrodo en la piel y conéctelo al electrodo de detección de electrodos de trabajo (WE-S) del EIS.
    2. Coloque otro electrodo a 3 cm de distancia del primero y conéctelo al contraelectrodo (CE) del EIS.
    3. Coloque el tercer electrodo en el codo y conéctelo al electrodo de referencia (RE) del EIS. Consulte la Figura 2A para la configuración de los tres electrodos.
      NOTA: Los electrodos conectados al CE y RE del EIS pueden ser tanto electrodos Ag/AgCl como de PEDOT:PSS, como es el caso del WE en este estudio.
  3. Inicie la grabación en el potenciostato EIS. Aplique una corriente entre el contador y los electrodos de trabajo. Mida la variación potencial a través de la pareja de referencia y detección.
    NOTA: La conexión del tatuaje y el electrodo textil con el sistema de adquisición se puede hacer con un clip para formar una conexión eléctrica estable con los cables del potenciostato. La impedancia de salida calculada a cada frecuencia consta de dos contribuciones: impedancia cutánea e impedancia de contacto piel-electrodo.

3. Registros electrofisiológicos superficiales

NOTA: La siguiente sección describe la colocación del electrodo para cada bioseñal de interés. Una vez que los electrodos están correctamente colocados y bien unidos a la piel, se pueden conectar al sistema de adquisición portátil para iniciar las grabaciones. El contenido del video de este artículo muestra un ejemplo de monitoreo electrofisiológico utilizando electrodos Ag / AgCl disponibles comercialmente y una unidad electrónica portátil.

  1. Para el ECG, adopte una configuración portátil con dos o tres (uno utilizado como tierra) electrodos. Coloque los electrodos en múltiples áreas del cuerpo (por ejemplo, pecho, muñecas, costillas) con una distancia mínima entre electrodos de 6 cm para obtener una señal apreciable.
    NOTA: Una ubicación clásica implica la colocación de dos electrodos en las clavículas izquierda y derecha; en este caso, el electrodo de tierra se puede colocar en la cresta ilíaca izquierda.
  2. Para el registro de la actividad eléctrica muscular (EMG), coloque los electrodos a lo largo del músculo de interés (por ejemplo, en el bíceps o la pantorrilla). Coloque el electrodo de tierra en una ubicación estática, como un hueso adyacente.
  3. Para el registro de la actividad eléctrica cerebral (EEG), coloque los electrodos en múltiples ubicaciones en la cabeza.
    NOTA: Los lugares cómodos son la frente y alrededor de las orejas externas. Se puede requerir un electrodo de referencia, generalmente detrás de la oreja en el hueso mastoideo.
  4. Para mediciones de actividad electrodérmica (EDA), coloque dos electrodos en la palma de la mano izquierda. Realizar la grabación cuando el sujeto esté en reposo o haciendo ejercicio físico.
    NOTA: La impedancia de la piel se puede medir en toda la superficie del cuerpo (por ejemplo, las costillas, en la espalda, en la planta del pie); una distancia interelectrodada suficiente de 6 cm garantiza una buena monitorización.

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Representative Results

Este artículo muestra la fabricación de electrodos cómodos de contacto con la piel mediante impresión de inyección de tinta y un método para caracterizarlos y realizar registros de electrofisiología. Informamos los pasos de fabricación de la impresión de inyección de tinta PEDOT: PSS directamente en diferentes sustratos, como tela (Figura 1A), PEN (Figura 1B) y papel de tatuaje (Figura 1C, D) como referencia. Los diseños propuestos en la etapa de protocolo 1.2.1. y el paso 1.3.1.5. definir un área de detección circular de 1 cm2 para comparar electrodos con el Ag/AgCl de última generación adoptado principalmente en clínicas.

Para caracterizar el rendimiento de los electrodos, sus impedancias se midieron a través de la configuración EIS de tres electrodos (Figura 2A, B). Este método permite el estudio de la impedancia piel-electrodo al realizar mediciones en el cuerpo con electrodos colocados en el brazo. Como ejemplo, la impedancia representativa de los electrodos textiles se informa en la Figura 2C, donde el módulo de impedancia se informa en la gráfica de Bode. Los electrodos textiles exhiben impedancias ligeramente más altas pero comparables que los electrodos Ag / AgCl, el estándar de oro en electrofisiología. La forma del módulo de impedancia (Figura 2C) indica un comportamiento resistivo ligeramente superior en el caso de los electrodos textiles, mientras que el Ag/AgCl estándar muestra un comportamiento resistivo-capacitivo típico24. Los tres tipos de electrodos, tatuaje, textil y láminas delgadas, han sido estudiados a través de EIS, lo que permite la caracterización de su interfaz con la piel25.

Al colocar los electrodos en la piel en diferentes áreas del cuerpo, como se muestra en la Figura 3, tenemos acceso a múltiples bioseñales (por ejemplo, EEG, ECG, EMG y EDA). Las grabaciones de bioseñales se pueden obtener fácilmente conectando los electrodos a la instrumentación portátil o a escala de laboratorio adecuada. La Figura 3A muestra el rastreo del EEG, el registro de la actividad eléctrica de las poblaciones de neuronas activas. Uno de los grupos básicos de ondas cerebrales son las ondas alfa (8-13 Hz). Las ondas alfa reflejan el estado del cerebro bajo relajación y pueden ser inducidas pidiéndole al sujeto que cierre los ojos26. La línea discontinua vertical gris (Figura 3A) marca el momento en la grabación en que se le pidió al voluntario que abriera los ojos. En el trazado del ECG de la Figura 3B, la polarización y despolarización de las aurículas y los ventrículos del corazón están representados por el patrón característico que consiste en la onda P, el complejo QRS y una onda T27. En la Figura 3B, el complejo QRS es identificable, y los picos R muestran la amplitud más alta y se utilizan para calcular la frecuencia cardíaca considerando el tiempo entre dos consecutivos.

La Figura 3C muestra el rastreo de EMG mientras que el voluntario aumentó progresivamente la fuerza de los músculos de sus brazos. La actividad muscular intensificada se cuantifica por el aumento de la amplitud de los picos de voltaje. En un rastreo EMG, los picos con amplitud de unos pocos microvoltios a unos pocos milivoltios, en el rango de frecuencia de 10-1,000 Hz, reflejan la actividad de la fibra muscular impulsada por los potenciales de acción de la unidad motora. La Figura 3D muestra el trazado EDA típicamente compuesto de componentes tónicos y fásicos. El componente tónico refleja el nivel de conductancia de la piel y corresponde a la señal de fondo. El componente fásico refleja la respuesta del sujeto a un estímulo específico y es detectable por un cambio en el valor de conductancia de la piel28. Este rastreo se utiliza para evaluar los niveles de estrés humano y la hidratación corporal.

Figure 1
Figura 1: PEDOT:Electrodos impresos por inyección de tinta PSS. Electrodos impresos en (A) tela 100% algodón, (B) lámina de PET y (C) papel de tatuaje temporal. (D) Fotografía de la impresora de inyección de tinta mientras se imprimen varios electrodos PEDOT:PSS sobre sustrato de papel para tatuajes. Abreviaturas: PET = tereftalato de polietileno; PEDOT:PSS = poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Mediciones de EIS. (A) Esquema de la configuración del electrodo para la medición de EIS en el cuerpo; el electrodo de trabajo se coloca a 3 cm de distancia del electrodo de contador Ag/AgCl; la referencia Ag/AgCl se coloca en el codo del voluntario. (B) Esquema de la configuración de tres electrodos para mediciones de EIS en la piel. Se aplica una corriente entre el contador y los electrodos de trabajo, y el voltaje se mide entre los electrodos de referencia y los de detección. (C) Módulo de impedancia de ag/AgCl y PEDOT:PSS-electrodos textiles de gel líquido iónico (curvas azul y verde, respectivamente). La impedancia se midió con una configuración de tres electrodos en el brazo. Esta cifra ha sido modificada a partir de Bihar et al.21. Abreviaturas: EIS = espectroscopia de impedancia electroquímica; CE = contraelectrodo; WE = electrodo de trabajo; RE = electrodo de referencia; S = electrodo de sentido; PEDOT: PSS = poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Esquema de posicionamiento del cuerpo del electrodo con los respectivos trazados de registro electrofisiológico. (A) Trazado EEG. La línea vertical discontinua indica la transición de un estado con ondas alfa a un estado sin, que coincide con cuando se le pidió al voluntario que abriera los ojos. (B) Rastreo de ECG. Los picos superiores representan los picos R que pertenecen al complejo QRS. C) Rastreo EMG. La actividad muscular está representada por una señal de voltaje cuya amplitud aumenta con el aumento de la actividad del músculo evocado por el voluntario. D) Rastreo de la AED. Durante los primeros 2 s, la señal representa el componente tónico, mientras que su siguiente aumento de amplitud indica el componente fásico, que refleja la respuesta del voluntario a un estímulo. Todas las grabaciones se realizaron con electrodos Ag/AgCl en un voluntario sano. Abreviaturas: EEG = electroencefalografía; ECG = electrocardiografía; EMG = electromiografía; EDA = actividad electrodérmica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura suplementaria S1: Esquema de estructura en capas de papel para tatuajes. Una hoja de papel de respaldo soporta la nanopelícula liberable hecha con una mezcla de poliuretano y otros polímeros. Dos capas de polivinilalcohol (PVA) solubles en agua cubren ambos lados de la película. Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

Este artículo describe un proceso fácil y escalable para fabricar electrodos portátiles y demuestra un método para registrar bioseñales electrofisiológicas. Utiliza tres ejemplos de sustratos portátiles, como tatuajes, textiles y películas delgadas. Introduce cómo construir un sensor sobre estos sustratos y caracterizar su rendimiento antes de su aplicación. Para fabricar los electrodos aquí, empleamos PEDOT: PSS, un polímero conductor que se destaca de los conductores a base de metal debido a su rentabilidad, procesabilidad versátil, biocompatibilidad, suavidad y sostenibilidad por su compatibilidad con el procesamiento ecológico29. EL MODELADO PEDOT:PSS en sustratos listos para usar se logró a través de una técnica de impresión de inyección de tinta que permite un control preciso de la deposición de tinta con libertad de diseño (Figura 1).

La impresión de inyección de tinta es una técnica sin contacto que permite la funcionalización selectiva de sustratos flexibles y no convencionales que son química y físicamente incompatibles con los procesos tradicionales de microfabricación de fotolitografía. En comparación con la serigrafía, otra técnica utilizada a menudo para la fabricación de electrodos, la inyección de tinta no requiere máscaras, lo que resulta en un menor desperdicio de tinta y una personalización simple30. La tecnología de inyección de tinta controla rigurosamente el espesor mediante la deposición de múltiples capas (inyección de tinta: <1 μm vs. pantalla: > unos pocos μm). De hecho, al imprimir en papel de tatuaje (Figura 1D), una capa impresa pedot:PSS (espesor de 240 nm ± 30 nm) es suficiente para obtener una película conductora homogénea (Figura 1C), con un grosor submicrométrico que naturalmente se autoadscribe a la piel después de su rugosidad31. Sin embargo, al imprimir en telas, la tinta cae sobre las estructuras porosas 3D creadas por hilos de punto u ondulados (Figura 1A). Son necesarias múltiples capas para conseguir conexión eléctrica entre las fibras recubiertas, funcionalizando la materia textil de forma controlada y personalizada32.

Al imprimir en sustratos nuevos y atípicos, es fundamental encontrar el número óptimo de capas impresas, teniendo en cuenta la compensación entre el rendimiento y la velocidad del proceso de fabricación. Para la fabricación de electrodos textiles, se debe prestar atención a mantener el sustrato plano durante la impresión (ver protocolo sección 1.3.). Por lo tanto, la estrategia de impresión debe considerar la optimización del diseño de impresión en deposición multicapa y una posibilidad de alineación en la deposición de materiales consecutivos.

Sin embargo, es importante señalar algunas limitaciones de estos electrodos y su fabricación. Los electrodos textiles pueden necesitar pasos de impresión adicionales de un electrolito de gel. Se ha demostrado que desempeña un papel clave en la disminución de la impedancia de contacto piel-electrodo, proporcionando así registros de bioseñales de alta calidad33 Además, la lavabilidad de los sensores textiles portátiles es un aspecto crítico cuando se prevé la integración completa en la ropa. Las propiedades fisicoquímicas del sustrato textil y la tinta de polímero conductor afectan el cumplimiento del dispositivo final con los ciclos de lavado. Por lo tanto, uno debe investigar exhaustivamente el aspecto antes mencionado para evaluar completamente su desempeño a largo plazo.

En la fabricación de sensores de tatuaje, un paso delicado es encontrar la mejor interconexión eléctrica entre el sensor de tatuaje y el sistema de adquisición (consulte la sección 1.3 del protocolo). De hecho, la tecnología del tatuaje ha ganado interés debido al formato de película delgada que hace que los electrodos de tatuaje sean imperceptibles. Por lo tanto, su manipulación requiere un cuidado especial cuando se aplica tensión mecánica, particularmente a la parte de interconexión. También es importante recordar el mecanismo de transferencia de los tatuajes a la piel que requiere mojar el papel de soporte con agua. Aunque este método es sencillo, cualquier contacto abrupto entre el agua y el sensor de tatuaje ya transferido deslaminará a este último. Si bien la conformabilidad de los tatuajes ultradelgados es una ventaja clave para la tecnología portátil, la vulnerabilidad al agua y las tensiones mecánicas de roce reducen el período de operación del sensor de tatuaje a un par de días.

Cuando se introduce un nuevo tipo de electrodo, EIS ayuda a proporcionar la evaluación primaria del rendimiento del electrodo en comparación con el punto de referencia (los electrodos Ag / AgCl) antes de avanzar con una aplicación. La sección 2 del protocolo describe las mediciones de EIS de los electrodos fabricados cuando se colocan directamente en el cuerpo humano para obtener información sobre cómo se acoplan eléctricamente con la piel. La configuración de tres electrodos (Figura 2A, B) evalúa la capacidad de transferencia de señal a través de la interfaz piel-electrodo. El nuevo electrodo a investigar es el que está conectado al WE y S del EIS. Los otros dos electrodos se utilizan como CE y RE. El EIS se realiza en un modo potenciostático, donde se aplica una pequeña corriente sinusoidal (0,1 V) (0,1-100 Hz) entre el CE y el WE, mientras que la variación potencial se mide a través de la pareja RE-S. La impedancia se calcula a cada frecuencia. La impedancia medida consta de dos contribuciones: la impedancia de la piel y la impedancia de contacto piel-electrodo.

Los comportamientos capacitivos y resistivos de un electrodo se definen a partir de las gráficas EIS (Figura 2C). Mediante el desarrollo de circuitos equivalentes para ajustarse a los datos experimentales, es posible comprender cómo un electrodo transduce bioseñales y qué tipo de interfaz establece con la piel34. Si bien los electrodos de tatuaje son secos y adherentes a la piel, sus impedancias difieren ligeramente de los electrodos Ag / AgCl gelificados estándar. La presencia de una interfaz de gel entre la piel y el electrodo promueve la transducción de señales y reduce la impedancia de contacto.

La resistencia mecánica es otra característica clave de los wearables. Se ha demostrado que los electrodos pedot:PSS textiles soportan el estrés de estiramiento33. Combinados con geles líquidos iónicos impresos, ofrecen un contacto eléctrico estable con la piel y robustez mecánica en condiciones portátiles. La estirabilidad, la suavidad y la porosidad estructural, que dotan de la capacidad de pasar la transpiración debido al contacto con el cuerpo humano, hacen que este tipo de electrodo sea la tecnología más adecuada para la electrónica portátil. Una vez más, la interconexión con los sistemas electrónicos sigue siendo delicada. Por lo tanto, estos sistemas se pueden depositar directamente en la tela.

La validación definitiva de los sensores cutáneos solo se puede realizar en sujetos. Los sensores cutáneos están condicionados por la variabilidad de la piel entre los sujetos y diversos factores dinámicos y condiciones ambientales, que afectan directamente a su rendimiento. Aquí, hemos demostrado cómo obtener trazamientos significativos de EEG, ECG, EMG y EDA a través de una plataforma totalmente portátil. La colocación de electrodos juega un papel importante en la obtención de información confiable y precisa durante el monitoreo. El análisis de las grabaciones mostradas en la Figura 3 puede confirmar la capacidad del electrodo en los registros electrofisiológicos y obtener valiosos resultados de monitoreo corporal. La capacidad de grabación varía desde una actividad neuronal extremadamente débil (Figura 3A) hasta contracciones musculares de alta potencia (Figura 3C).

En la Figura 3B y la Figura 3D, la actividad cardíaca y las respuestas electrodérmicas demuestran la resolución y sensibilidad de los electrodos fabricados. El registro de bioseñales proporciona datos útiles sobre la salud corporal del usuario, el rendimiento en condiciones específicas y la respuesta a estímulos internos o externos específicos, ampliando su aplicación a una variedad de estudios biomédicos. Existen múltiples front-ends de electrónica portátil para adquirir bioseñales como ECG, EMG, EEG y EDA. Algunos ejemplos son los chips amplificadores de electrofisiología portátiles RHD2216 de Intan Technologies, el wearable Shimmer, el dispositivo DueLite de OT Bioelettronica, el dispositivo inalámbrico PLUX en la versión avanzada (llamado Biosignal PLUX) o la versión DIT (llamada BITalino).

Para concluir, se pueden fabricar múltiples sensores con los protocolos presentados para una variedad de aplicaciones de monitoreo de salud. Por ejemplo, las matrices multielectrodos (MEA) PEDOT:PSS basadas en tatuajes se han empleado con éxito para la EMG facial, ya que no perjudican los movimientos faciales naturales y permiten el registro de bioseñales libre de alteración25,35. Sin embargo, se han fabricado electrodos finos y estirables mediante inyección de tinta mediante impresión PEDOT:PSS sobre sustrato de pantimedias estirables y de bajo coste, obteniendo grabaciones de ECG de alta calidad, tanto en condiciones de reposo como de movimiento, con mínimas molestias para el usuario33. Con este protocolo, obtuvimos sensores de piel suaves, conformables y cómodos a través del modelado de tinta conductora en sustratos listos para usar. La impresión de inyección de tinta es una técnica escalable y de bajo costo que se destaca de los procesos tradicionales de fabricación microelectrónica. El método propuesto describe cómo adquirir señales electrofisiológicas, que varían desde una actividad neuronal débil hasta contracciones musculares de alta potencia. Estas señales permiten obtener información sobre el estado fisiológico del cuerpo del usuario. En general, presentamos los pasos iniciales sobre la viabilidad de dispositivos electrónicos portátiles sin costura para una variedad de aplicaciones biomédicas, que se extienden desde la aptitud física hasta el monitoreo de la atención médica.

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Disclosures

Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por la Agencia Nacional de Investigación de Francia a través del proyecto ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010). También ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie n.º 813863. E.I. desea agradecer al personal de la sala blanca CMP del Centro de Microelectrónica de Provenza por su apoyo técnico durante el desarrollo del proyecto.

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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Bioingeniería Número 185 Electrofisiología de superficies wearables impresión de inyección de tinta PEDOT:PSS tatuaje textil
Electrodos portátiles conformables: de la fabricación a la evaluación electrofisiológica
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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).

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