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.
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.
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.
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, versá…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |