Summary
Zwei neuere Technologien - Tätowierung und Textilien - haben vielversprechende Ergebnisse bei der Hautsensorik gezeigt. Hier stellen wir die Herstellungs- und Bewertungsmethoden von Tattoo- und Textilelektroden für die kutane elektrophysiologische Sensorik vor. Diese elektronischen Schnittstellen aus leitfähigen Polymeren übertreffen die bestehenden Standards in Bezug auf Komfort und Empfindlichkeit.
Abstract
Tragbare elektronische Geräte werden zu Schlüsselfiguren bei der Überwachung der Körpersignale, die hauptsächlich während der Verfolgung körperlicher Aktivität verändert werden. Angesichts des wachsenden Interesses an Telemedizin und personalisierter Pflege, das durch den Aufstieg des Internets der Dinge angetrieben wird, haben tragbare Sensoren ihr Anwendungsgebiet auf das Gesundheitswesen ausgeweitet. Um die Erfassung klinisch relevanter Daten zu gewährleisten, müssen diese Geräte konforme Schnittstellen zum menschlichen Körper herstellen, um Aufzeichnungen in hoher Signalqualität und einen langfristigen Betrieb zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird in diesem Artikel eine Methode zur einfachen Herstellung von konformen dünnen Tattoo- und Soft-Textil-basierten Sensoren für ihre Anwendung als tragbare organische elektronische Geräte in einem breiten Spektrum von elektrophysiologischen Oberflächenaufzeichnungen vorgestellt.
Die Sensoren werden durch einen kostengünstigen und skalierbaren Prozess der kutanen Elektrodenstrukturierung unter Verwendung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS), dem beliebtesten leitfähigen Polymer in der Bioelektronik, auf handelsüblichen, tragbaren Substraten entwickelt. Dieses Papier stellt wichtige Schritte in der Elektrodencharakterisierung durch Impedanzspektroskopie vor, um ihre Leistung bei der Signaltransduktion zu untersuchen, wenn sie mit der Haut gekoppelt sind. Vergleichende Studien sind erforderlich, um die Leistung neuartiger Sensoren in Bezug auf den klinischen Goldstandard zu positionieren. Um die Leistung der hergestellten Sensoren zu validieren, zeigt dieses Protokoll, wie verschiedene Biosignalaufzeichnungen aus verschiedenen Konfigurationen durch ein benutzerfreundliches und tragbares elektronisches Setup in einer Laborumgebung durchgeführt werden können. Dieses Methodenpapier wird es mehreren experimentellen Initiativen ermöglichen, den aktuellen Stand der Technik bei tragbaren Sensoren für die Überwachung der Gesundheit des menschlichen Körpers voranzutreiben.
Introduction
Die nichtinvasive Biopotentialaufzeichnung erfolgt durch Hautkontaktelektroden, die eine große Menge an Daten über den physiologischen Zustand des menschlichen Körpers in Fitness und Gesundheitswesenliefern 1. Neuartige Arten von tragbaren Biomonitoring-Geräten wurden aus den neuesten technologischen Fortschritten in der Elektronik durch die Verkleinerung integrierter steuernder und kommunizierender Komponenten auf tragbare Abmessungen entwickelt. Intelligente Überwachungsgeräte durchdringen den Markt täglich und bieten mehrere Überwachungsfunktionen mit dem ultimativen Ziel, ausreichende physiologische Inhalte bereitzustellen, um eine medizinische Diagnostik zu ermöglichen2. Daher stellen sichere, zuverlässige und robuste Schnittstellen mit dem menschlichen Körper kritische Herausforderungen bei der Entwicklung legitimer tragbarer Technologien für das Gesundheitswesen dar. Tattoo- und Textilelektroden haben sich kürzlich als zuverlässige und stabile Schnittstellen erwiesen, die als innovative, komfortable Geräte für tragbare Biosensorikwahrgenommen werden 3,4,5.
Tattoo-Sensoren sind trockene und dünne Grenzflächen, die aufgrund ihrer geringen Dicke (~1 μm) für einen klebstofffreien, anpassungsfähigen Hautkontakt sorgen. Sie basieren auf einem handelsüblichen Tattoo-Papier-Kit, das aus einer Schichtstruktur besteht, die die Freisetzung einer ultradünnen Polymerschicht auf der Hautermöglicht 6. Die Schichtstruktur ermöglicht auch eine einfache Handhabung der dünnen Polymerschicht während des Herstellungsprozesses des Sensors und deren Übertragung auf die Haut. Die endgültige Elektrode ist vollständig anpassungsfähig und für den Träger fast nicht wahrnehmbar. Textilsensoren sind elektronische Geräte, die aus der Funktionalisierung von Stoffen mit elektroaktiven Materialien7 gewonnen werden. Sie werden hauptsächlich in Kleidung integriert oder einfach genäht, um den Komfort des Benutzers aufgrund ihrer Weichheit, Atmungsaktivität und offensichtlichen Affinität zu Kleidungsstücken zu gewährleisten. Seit fast einem Jahrzehnt werden Textil- und Tattoo-Elektroden in elektrophysiologischen Oberflächenaufzeichnungen 3,8,9 bewertet, die sowohl bei Wearability- als auch bei Signalqualitätsaufzeichnungen gute Ergebnisse zeigen und in Kurz- und Langzeitbewertungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) melden. Sie sind auch als potenzielle Plattform für tragbare biochemische Schweißanalysenkonzipiert 1,10.
Das wachsende Interesse an Tattoo-, Textil- und im Allgemeinen flexiblen Dünnschichttechnologien (z. B. aus Kunststofffolien wie Parylene oder verschiedenen Elastomeren) wird hauptsächlich durch die Kompatibilität mit kostengünstigen und skalierbaren Herstellungsmethoden gefördert. Siebdruck, Tintenstrahldruck, Direktmusterung, Tauchlackierung und Stempeltransfer wurden erfolgreich eingesetzt, um solche Arten von elektronischen Schnittstellenherzustellen 11. Unter diesen ist der Tintenstrahldruck die fortschrittlichste digitale und schnelle Prototyping-Technik. Es wird hauptsächlich auf die Musterung von leitfähigen Tinten in einer berührungslosen, additiven Weise unter Umgebungsbedingungen und auf einer Vielzahl von Substraten angewendet12. Obwohl mehrere tragbare Sensoren durch edle Metalltintenmuster13 hergestellt wurden, sind Metallfilme spröde und reißen bei mechanischer Beanspruchung. Verschiedene Forschungsgruppen haben unterschiedliche Strategien verfolgt, um Metallen die Eigenschaft der mechanischen Verträglichkeit mit der Haut zu verleihen. Zu diesen Strategien gehören die Reduzierung der Schichtdicke und die Verwendung von Serpentinendesigns oder faltigen und vorgespannten Substraten14,15,16. Weiche und intrinsisch flexible leitfähige Materialien, wie leitfähige Polymere, fanden ihre Anwendung in flexiblen bioelektronischen Bauelementen. Ihre polymere Flexibilität wird mit elektrischer und ionischer Leitfähigkeit kombiniert. PEDOT: PSS ist das am häufigsten verwendete leitfähige Polymer in der Bioelektronik. Es zeichnet sich durch Weichheit, Biokompatibilität, Nachhaltigkeit und Druckverarbeitbarkeitaus 17, die es mit der weit verbreiteten Produktion von biomedizinischen Geräten kompatibel machen.
Geräte, wie planare Elektroden, die an ein Erfassungssystem angeschlossen sind, ermöglichen die Erfassung von Biopotentialen in der Gesundheitsüberwachung. Biopotentiale des menschlichen Körpers sind elektrische Signale, die von elektrogenen Zellen erzeugt werden und sich durch den Körper bis zur Hautoberfläche ausbreiten. Je nachdem, wo die Elektroden platziert sind, ist es möglich, Daten über die elektrische Aktivität des Gehirns (EEG), der Muskeln (EMG), des Herzens (EKG) und der Hautleitfähigkeit (z. B. Bioimpedanz oder elektrodermale Aktivität, EDA) zu erfassen. Die Qualität der Daten wird dann bewertet, um die Verwendbarkeit der Elektroden in klinischen Anwendungen zu bewerten. Ein hoher SNR definiert ihre Leistung18, die typischerweise mit hochmodernen Ag/AgCl-Elektrodenaufnahmen verglichen wird. Obwohl die Ag/AgCl-Elektroden auch ein hohes SNR aufweisen, fehlt es ihnen an Langzeitoperationalität und Anpassungsfähigkeit. Hochwertige Biosignalaufzeichnungen liefern Einblicke in den menschlichen Gesundheitszustand in Bezug auf die Funktion eines bestimmten Organs. Diese Vorteile komfortabler Tattoo- oder Textilschnittstellen deuten daher auf ihr Versprechen für langfristige Anwendungen hin, die eine reale mobile Gesundheitsüberwachung ermöglichen und den Weg für die Entwicklung der Telemedizin ebnenkönnen 19.
Dieses Papier berichtet, wie Tätowierungen und Textilelektroden im Gesundheits-Biomonitoring hergestellt und bewertet werden. Nach seiner Herstellung muss eine neuartige Elektrode charakterisiert werden. Typischerweise wird die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) verwendet, um die elektrische Leistung der Elektrode in Bezug auf eine Zielgrenzfläche (z. B. Haut) in Bezug auf die Übertragungsfunktion zu untersuchen. EIS wird verwendet, um die Impedanzeigenschaften mehrerer Elektroden zu vergleichen und Tests unter verschiedenen Bedingungen durchzuführen (z. B. Variieren des Elektrodendesigns oder Untersuchung von Langzeitreaktionen). Dieses Papier zeigt die Aufzeichnung von Oberflächenbiosignalen durch eine einfache Einrichtung und berichtet über eine benutzerfreundliche Methode zur Aufzeichnung verschiedener Arten von Biosignalen, die auf jede neuartige hergestellte Elektrode anwendbar sind, die für kutane Biopotentialaufnahmen validiert werden muss.
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Protocol
HINWEIS: Experimente mit menschlichen Probanden beinhalteten nicht die Sammlung identifizierbarer privater Informationen über den Gesundheitszustand der Person und werden hier nur zur technologischen Demonstration verwendet. Die Daten wurden über drei verschiedene Probanden gemittelt. Die elektrophysiologischen Aufzeichnungen wurden aus zuvor veröffentlichten Daten 6,21 extrahiert.
1. Inkjet-gedruckte PEDOT: PSS-Elektrodenherstellung
HINWEIS: Das folgende Protokoll wurde verwendet, um Elektroden für die Elektrophysiologie auf kommerziellen, flexiblen Substraten herzustellen - Tattoo-Papier 6 und Textil21. Der gleiche Ansatz wurde weitgehend für die Herstellung von Elektroden auf flexiblen Substraten wie dünnen Kunststofffolien22 gewählt. In allen Fällen wurde ein Tintenstrahldrucker für die Musterung von PEDOT:PSS verwendet (siehe Materialtabelle).
- Elektrodensubstrat-Vorverarbeitung
- Schneiden Sie ein Stück des Substrats von Interesse.
- Wenn Sie ein Tattoo-Substrat verwenden, waschen Sie es vor dem Drucken mit Wasser, um die oberste wasserlösliche Schicht vom Papierzu entfernen 23.
HINWEIS: Das Tattoo-Papier-Kit ist auch mit einer Klebefolie versehen, die bei dieser Arbeit verwendet wird, sowohl zur Verbesserung der Tattoo-Haftung als auch als Passivierungsschicht. Tattoo-Papier hat eine Schichtstruktur (Supplemental Figure S1), einschließlich einer tragenden Papierfolie, einer wasserlöslichen Polyvinylalkohol (PVA) -Schicht, einer freilösbaren Polyurethan-Folie und einer obersten PVA-Schicht. Die Leimplatte hat eine Schichtstruktur, die aus Silikonpapier als Träger, Acrylkleber auf Wasserbasis und einem Top-Release-Liner besteht.
- Wenn Sie ein Tattoo-Substrat verwenden, waschen Sie es vor dem Drucken mit Wasser, um die oberste wasserlösliche Schicht vom Papierzu entfernen 23.
- Um tragbare Sensoren herzustellen, beginnen Sie mit dem Schneiden des gewünschten Substrats. Legen Sie das Substrat auf die Druckerplatte, und kleben Sie den Rand ab, um ihn flach zu halten.
- Schneiden Sie ein Stück des Substrats von Interesse.
- Drucken von PEDOT:PSS-Tinte
- Bereiten Sie das Design für den Druck vor, z. B. einen Kreis (12 mm Durchmesser) mit einem rechteckigen Pad an der Unterseite (3 mm x 7 mm), der für die Verbindung verwendet werden soll.
- Füllen Sie die Druckerpatronen (10 pl) nach dem Filtern mit der kommerziellen PEDOT:PSS-Tinte. Dies ist eine wässrige Dispersion des leitfähigen Polymers.
- Drucken Sie das Design auf das Substrat.
- Bei der Verwendung von Tätowierpapier und Textilien, die eine mäßig-hohe Oberflächenenergie bzw. absorbierende Eigenschaften aufweisen, drucken Sie mit einem Tropfenabstand von ~ 20 μm.
- Drucken Sie mehrere PEDOT:PSS-Schichten, entweder nacheinander oder durch Anwendung eines Trocknungsprozesses (110 °C für 15 min) zwischen den Schichten, um ein homogenes und kontinuierliches leitfähiges Muster zu erzeugen.
HINWEIS: Dies ist insbesondere bei Textilelektroden erforderlich, bei denen die 3D-ähnliche Struktur von Textilien mehr Tintengehalt erfordert, um einen kontinuierlichen Leitpfad innerhalb des Gewebes zu erzeugen.
- Trocknen Sie die Elektrode bei 110 °C für 15 min im Ofen, um die Lösungsmittelverdampfung abzuschließen.
HINWEIS: Elektroden, die auf Textil-, PET- und Tätowierpapier (Abbildung 1A-C) durch Drucken mehrerer Geräte in einem Durchlauf erhalten werden (Abbildung 1D), können jetzt in einer geschlossenen, sauberen und trockenen Umgebung gelagert werden, bevor mit den nächsten Schritten fortgefahren wird.
- Herstellung externer Steckverbinder
- Tattoo-Elektroden
- Schneiden Sie ein rechteckiges Stück Polyethylennaphthalat (PEN)-Substrat (8 mm x 12 mm, 1,3 mm Dicke).
- Drucken Sie ein rechteckiges Design (3 mm x 12 mm) mit drei PEDOT:PSS-Schichten auf das Substrat.
- Trocknen Sie die gedruckte Probe im Ofen bei 110 °C für 15 min.
- Laminieren Sie die PEN-Verbindung auf die Tattoo-Elektrode, wobei die rechteckigen PEDOT: PSS-Teile einander zugewandt sind.
- Schneiden Sie ein Loch (Durchmesser 11,3 mm) in die Klebefolie des Tätowierpapiers. Richten Sie dieses Loch der Klebefolie mit dem kreisförmigen Sensorteil des Tattoos PEDOT: PSS-Elektrode aus. Fügen Sie ein Stück Polyimidband (siehe Materialtabelle) auf das freie Ende der PEN-Verbindung auf.
- Textil- und Kunststofffolienelektroden
- Befestigen Sie ein Stück leitfähiges Band (z. B. Kupferband) um die rechteckige gedruckte Verbindung, um eine robuste und stabile Verbindung zu erhalten.
- Stecken Sie einen Pogo-Pin-Stecker in das Kupferband und verbinden Sie den Pogo-Pin mit dem Aufnahmesystem.
- Tattoo-Elektroden
- Tätowierung Elektrodentransfer
- Entfernen Sie die Klebefolie. Legen Sie das Tattoo auf den gewünschten Teil der Haut.
- Befeuchten Sie das Rückenstützpapier und halten Sie das Tattoo in Position. Sobald das hintere Stützpapier eingeweicht ist, schieben Sie es, um es zu entfernen, und lassen Sie nur die Elektrode aus dem übertragbaren ultradünnen Film auf der Haut zurück.
- Stecken Sie den flachen PEN-Kontakt in die externe Erfassungseinheit. Siehe Abschnitt 1.3.
- Positionierung textiler Elektroden
- Legen Sie die Elektrode auf die Haut. Halten Sie die Elektrode mit Hilfe eines Stoff-Sportarmbands oder eines medizinischen Klebebands in stabilem Kontakt mit der Haut, um qualitativ hochwertige Signalaufzeichnungen während der Bewegung zu gewährleisten.
- Führen Sie die gewünschte elektrophysiologische Oberflächenaufzeichnung durch. Waschen Sie die Tattoo-Elektroden nach den Aufnahmen weg, indem Sie sie mit einem nassen Schwamm reiben.
2. Elektrodencharakterisierung mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie
- On-Body-Messung
- Stellen Sie sicher, dass der Freiwillige bequem sitzt und einen Arm auf einem ruhenden Tisch aufstellt.
HINWEIS: Es ist keine Hautreinigung oder Schrubben erforderlich.
- Stellen Sie sicher, dass der Freiwillige bequem sitzt und einen Arm auf einem ruhenden Tisch aufstellt.
- Platzierung der Elektroden
- Legen Sie eine Elektrode auf die Haut und verbinden Sie sie mit der Arbeitselektrode (WE-S) des EIS.
- Platzieren Sie eine weitere Elektrode 3 cm von der ersten entfernt und verbinden Sie sie mit der Gegenelektrode (CE) des EIS.
- Legen Sie die dritte Elektrode auf den Ellenbogen und verbinden Sie sie mit der Referenzelektrode (RE) des EIS. Siehe Abbildung 2A für den Aufbau der drei Elektroden .
HINWEIS: Die Elektroden, die mit dem CE und RE des EIS verbunden sind, können beide Ag/AgCl-Elektroden oder aus PEDOT:PSS bestehen, wie es bei den WE in dieser Studie der Fall ist.
- Starten Sie die Aufzeichnung auf dem EIS-Potentiostaten. Legen Sie einen Strom zwischen dem Zähler und den Arbeitselektroden an. Messen Sie die Potentialvariation über das Referenz- und Sensorpaar.
HINWEIS: Die Tattoo- und Textilelektrodenverbindung mit dem Erfassungssystem kann mit einem Clip hergestellt werden, um eine stabile elektrische Verbindung mit den potentiost-Kabeln herzustellen. Die bei jeder Frequenz berechnete Ausgangsimpedanz besteht aus zwei Beiträgen: der Hautimpedanz und der Haut-Elektroden-Kontaktimpedanz.
3. Elektrophysiologische Oberflächenaufzeichnungen
HINWEIS: Der folgende Abschnitt beschreibt die Elektrodenplatzierung für jedes Biosignal von Interesse. Sobald die Elektroden richtig platziert und gut an der Haut befestigt sind, können sie an das tragbare Erfassungssystem angeschlossen werden, um die Aufnahmen zu starten. Der Videoinhalt dieses Artikels zeigt ein Beispiel für die elektrophysiologische Überwachung mit handelsüblichen Ag/AgCl-Elektroden und einer tragbaren elektronischen Einheit.
- Nehmen Sie für das EKG eine tragbare Konfiguration mit zwei oder drei (eine als Masse verwendeten) Elektroden an. Platzieren Sie die Elektroden in mehreren Körperbereichen (z. B. Brust, Handgelenke, Rippen) mit einem Mindestabstand von 6 cm, um ein nennenswertes Signal zu erhalten.
HINWEIS: Eine klassische Position beinhaltet die Platzierung von zwei Elektroden auf dem linken und rechten Schlüsselbein; In diesem Fall kann die Erdelektrode auf dem linken Beckenkamm platziert werden. - Für die Aufzeichnung der Muskelaktivität (EMG) platzieren Sie die Elektroden entlang des interessierenden Muskels (z. B. am Bizeps oder an der Wade). Platzieren Sie die Bodenelektrode an einer statischen Stelle, z. B. an einem angrenzenden Knochen.
- Für die Aufzeichnung der Gehirnaktivität (EEG) platzieren Sie die Elektroden an mehreren Stellen auf dem Kopf.
HINWEIS: Bequeme Orte sind die Stirn und um die äußeren Ohren. Eine Referenzelektrode kann erforderlich sein, typischerweise hinter dem Ohr am Mastoidknochen. - Für elektrodermale Aktivitätsmessungen (EDA) legen Sie zwei Elektroden auf die Handfläche der linken Hand. Führen Sie die Aufnahme durch, wenn das Subjekt in Ruhe ist oder körperliche Übungen macht.
HINWEIS: Die Hautimpedanz kann über die gesamte Körperoberfläche gemessen werden (z. B. die Rippen, auf dem Rücken, auf der Fußsohle); Ein ausreichender Interelektrodenabstand von 6 cm sorgt für eine gute Überwachung.
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Representative Results
Dieses Papier zeigt die Herstellung von komfortablen Hautkontaktelektroden durch Tintenstrahldruck und eine Methode, um sie zu charakterisieren und elektrophysiologische Aufnahmen durchzuführen. Wir berichteten über die Herstellungsschritte des PEDOT:PSS-Tintenstrahldrucks direkt auf verschiedenen Substraten wie Stoff (Abbildung 1A), PEN (Abbildung 1B) und Tätowierpapier (Abbildung 1C, D) als Referenz. Die vorgeschlagenen Entwürfe in Protokollschritt 1.2.1. und Schritt 1.3.1.5. Definieren Sie einen kreisförmigen Erfassungsbereich von 1 cm 2, um Elektroden mit dem hochmodernen Ag/AgCl zu vergleichen, das hauptsächlich in Kliniken eingesetzt wird.
Um die Leistung der Elektroden zu charakterisieren, wurden ihre Impedanzen durch den EIS-Aufbau mit drei Elektroden gemessen (Abbildung 2A,B). Diese Methode ermöglicht die Untersuchung der Haut-Elektroden-Impedanz bei der Durchführung von On-Body-Messungen mit Elektroden am Arm. Als Beispiel wird die repräsentative Impedanz von Textilelektroden in Abbildung 2C dargestellt, wobei der Impedanzmodul im Bode-Diagramm angegeben ist. Textilelektroden weisen etwas höhere, aber vergleichbare Impedanzen auf als Ag/AgCl-Elektroden, der Goldstandard in der Elektrophysiologie. Die Form des Impedanzmoduls (Abbildung 2C) weist bei den textilen Elektroden auf ein etwas höheres Widerstandsverhalten hin, während der Standard Ag/AgCl ein typisches resistiv-kapazitives Verhaltenzeigt 24. Alle drei Arten von Elektroden, Tattoo, Textil und Dünnfolien, wurden über EIS untersucht, was die Charakterisierung ihrer Schnittstelle mit der Hautermöglicht 25.
Durch das Platzieren der Elektroden auf der Haut in verschiedenen Körperbereichen, wie in Abbildung 3 gezeigt, haben wir Zugriff auf mehrere Biosignale (z. B. EEG, EKG, EMG und EDA). Biosignalaufzeichnungen können leicht erhalten werden, indem die Elektroden an geeignete tragbare oder Laborgeräte angeschlossen werden. Abbildung 3A zeigt die EEG-Ablaufverfolgung - die elektrische Aktivitätsaufzeichnung von Populationen aktiver Neuronen. Eine der grundlegenden Gruppen von Gehirnwellen sind die Alphawellen (8-13 Hz). Die Alphawellen spiegeln den Zustand des Gehirns unter Entspannung wider und können induziert werden, indem das Subjekt gebeten wird, die Augen zu schließen26. Die graue vertikal gestrichelte Linie (Abbildung 3A) markiert den Moment in der Aufnahme, in dem der Freiwillige aufgefordert wurde, seine Augen zu öffnen. In der EKG-Nachzeichnung in Abbildung 3B werden die Polarisation und Depolarisation der Vorhöfe und Ventrikel des Herzens durch das charakteristische Muster dargestellt, das aus der P-Welle, dem QRS-Komplex und einer T-Welle27 besteht. In Abbildung 3B ist der QRS-Komplex identifizierbar, und die R-Spitzen zeigen die höchste Amplitude und werden verwendet, um die Herzfrequenz zu berechnen, indem die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden betrachtet wird.
Abbildung 3C zeigt die EMG-Ablaufverfolgung, während die Freiwilligen die Kraft ihrer Armmuskulatur schrittweise erhöhten. Die verstärkte Muskelaktivität wird durch die erhöhte Amplitude der Spannungsspitzen quantifiziert. Bei einem EMG-Tracing spiegeln Spitzen mit Amplitude von wenigen Mikrovolt bis zu einigen Millivolt im Frequenzbereich von 10-1.000 Hz die Muskelfaseraktivität wider, die durch die Aktionspotentiale der motorischen Einheit angetrieben wird. Abbildung 3D zeigt die EDA-Ablaufverfolgung, die typischerweise aus tonischen und phasischen Komponenten besteht. Die Tonic-Komponente spiegelt den Hautleitwert wider und entspricht dem Hintergrundsignal. Die phasische Komponente spiegelt die Reaktion des Probanden auf einen bestimmten Reiz wider und ist durch eine Änderung des Hautleitwertes28 nachweisbar. Diese Rückverfolgung wird verwendet, um das menschliche Stressniveau und die Körperflüssigkeitszufuhr zu bewerten.
Abbildung 1: PEDOT:PSS-Inkjet-gedruckte Elektroden. Elektroden gedruckt auf (A) 100% Baumwollstoff, (B) PET-Folie und (C) temporärem Tattoo-Papier. (D) Foto des Tintenstrahldruckers beim Drucken mehrerer PEDOT:PSS-Elektroden auf Tattoo-Papiersubstrat. Abkürzungen: PET = Polyethylenterephthalat; PEDOT:PSS = Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: EIS-Messungen. (A) Schematische Darstellung der Elektrodenkonfiguration für die EIS-Messung am Körper; die Arbeitselektrode wird 3 cm voneinander entfernt von der Ag/AgCl-Elektrode platziert; die Referenz Ag/AgCl wird auf den Ellenbogen des Freiwilligen gelegt. (B) Schema des Drei-Elektroden-Aufbaus für EIS-Messungen auf der Haut. Zwischen dem Zähler und den Arbeitselektroden wird ein Strom angelegt, und die Spannung wird zwischen der Referenz- und der Messelektrode gemessen. (C) Impedanzmodul von Ag/AgCl und PEDOT:PSS-ionische Flüssiggel-Textilelektroden (blaue bzw. grüne Kurven). Die Impedanz wurde mit einem Drei-Elektroden-Setup am Arm gemessen. Diese Zahl wurde von Bihar et al.21 modifiziert. Abkürzungen: EIS = elektrochemische Impedanzspektroskopie; CE = Gegenelektrode; WE = Arbeitselektrode; RE = Referenzelektrode; S = Sinneselektrode; PEDOT: PSS = Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Elektrodenkörperpositionierung schematisch mit den jeweiligen elektrophysiologischen Aufzeichnungsspuren . (A) EEG-Tracing. Die gestrichelte vertikale Linie zeigt den Übergang von einem Zustand mit Alphawellen zu einem Zustand ohne, der mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, an dem der Freiwillige gebeten wurde, seine Augen zu öffnen. (B) EKG-Ablaufverfolgung. Die oberen Spitzen stellen die R-Spitzen dar, die zum QRS-Komplex gehören. (C) EMG-Rückverfolgung. Die Muskelaktivität wird durch ein Spannungssignal dargestellt, dessen Amplitude mit der zunehmenden Aktivität des Muskels, die vom Freiwilligen hervorgerufen wird, zunimmt. (D) EDA-Rückverfolgung. Während der ersten 2 s stellt das Signal die tonische Komponente dar, während seine nachfolgende Amplitudenerhöhung die phasische Komponente anzeigt, die die Reaktion des Freiwilligen auf einen Reiz widerspiegelt. Alle Aufnahmen wurden mit Ag/AgCl-Elektroden an einem gesunden Freiwilligen durchgeführt. Abkürzungen: EEG = Elektroenzephalographie; EKG = Elektrokardiographie; EMG = Elektromyographie; EDA = elektrodermale Aktivität. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Ergänzende Abbildung S1: Tattoo-Papier geschichtetes Strukturschema. Eine Trägerpapierfolie unterstützt den freilösbaren Nanofilm, der mit einer Mischung aus Polyurethan und anderen Polymeren hergestellt wird. Zwei wasserlösliche Polyvinylalkohol (PVA)-Schichten bedecken beide Seiten der Folie. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Dieses Papier beschreibt einen einfachen und skalierbaren Prozess zur Herstellung tragbarer Elektroden und demonstriert eine Methode zur Aufzeichnung elektrophysiologischer Biosignale. Es verwendet drei Beispiele für tragbare Substrate wie Tätowierung, Textil und dünne Filme. Es stellt vor, wie man einen Sensor auf diesen Substraten baut und seine Leistung vor seiner Anwendung charakterisiert. Für die Herstellung der Elektroden haben wir hier PEDOT:PSS verwendet, ein leitfähiges Polymer, das sich durch seine Wirtschaftlichkeit, vielseitige Verarbeitbarkeit, Biokompatibilität, Weichheit und Nachhaltigkeit durch seine Kompatibilität mit der grünen Verarbeitung von metallbasierten Leitern abhebt29. PEDOT:PSS-Musterung auf handelsüblichen Substraten wurde durch eine Inkjet-Drucktechnik erreicht, die eine präzise Steuerung der Farbabscheidung mit Designfreiheit ermöglicht (Abbildung 1).
Der Tintenstrahldruck ist eine berührungslose Technik, die die selektive Funktionalisierung flexibler und unkonventioneller Substrate ermöglicht, die chemisch und physikalisch nicht mit herkömmlichen Mikrofabrikationsprozessen der Photolithographie kompatibel sind. Im Vergleich zum Siebdruck, einer anderen Technik, die häufig für die Elektrodenherstellung verwendet wird, benötigt der Tintenstrahl keine Masken, was zu einem geringeren Tintenabfall und einer einfachen Anpassungführt 30. Die Inkjet-Technologie steuert die Dicke streng durch mehrschichtige Abscheidung (Inkjet: <1 μm vs. Sieb: >einige μm). Tatsächlich reicht beim Drucken auf Tätowierpapier (Abbildung 1D) eine PEDOT:PSS-gedruckte Schicht (Dicke von 240 nm ± 30 nm) aus, um einen homogenen leitfähigen Film zu erhalten (Abbildung 1C) mit einer Dicke von Submikrometern, die sich nach ihrer Rugosität31 auf natürliche Weise selbst an der Haut festhält. Beim Bedrucken von Stoffen fällt die Tinte jedoch über die porösen 3D-Strukturen, die durch gestrickte oder gewellte Garne erzeugt werden (Abbildung 1A). Mehrere Schichten sind notwendig, um eine elektrische Verbindung zwischen den beschichteten Fasern herzustellen und die Textilsubstanz kontrolliert und kundenspezifisch zu funktionalisieren32.
Beim Drucken auf neuen und atypischen Substraten ist es wichtig, die optimale Anzahl der gedruckten Schichten zu finden, wobei der Kompromiss zwischen der Leistung und der Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses zu berücksichtigen ist. Bei der Herstellung von Textilelektroden ist darauf zu achten, dass das Substrat während des Drucks flach gehalten wird (siehe Protokollabschnitt 1.3.). Daher sollte die Druckstrategie die Optimierung des Drucklayouts bei der mehrschichtigen Abscheidung und eine Möglichkeit zur Ausrichtung bei der Abscheidung aufeinanderfolgender Materialien in Betracht ziehen.
Es ist jedoch wichtig, auf einige Einschränkungen dieser Elektroden und ihrer Herstellung hinzuweisen. Textilelektroden benötigen möglicherweise zusätzliche Druckschritte eines Gelelektrolyten. Es hat sich gezeigt, dass es eine Schlüsselrolle bei der Verringerung der Haut-Elektroden-Kontaktimpedanz spielt und somit qualitativ hochwertige Biosignalaufzeichnungen liefert33 Darüber hinaus ist die Waschbarkeit von textilen tragbaren Sensoren ein kritischer Aspekt, wenn eine vollständige Integration in Kleidung in Betracht gezogen wird. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Textilsubstrats und der leitfähigen Polymertinte beeinflussen die Einhaltung der Waschzyklen durch das Endgerät. Daher sollte man den oben genannten Aspekt erschöpfend untersuchen, um ihre langfristige Leistung vollständig zu bewerten.
Bei der Herstellung von Tätowiersensoren besteht ein heikler Schritt darin, die beste elektrische Verbindung zwischen dem Tätowiersensor und dem Erfassungssystem zu finden (siehe Protokollabschnitt 1.3.). In der Tat hat die Tattoo-Technologie aufgrund des Dünnschichtformats, das Tattoo-Elektroden unmerklich macht, an Interesse gewonnen. Daher erfordert ihre Manipulation besondere Sorgfalt, wenn mechanische Spannungen, insbesondere auf den Verbindungsteil, ausgeübt werden. Es ist auch wichtig, sich an den Übertragungsmechanismus von Tätowierungen auf die Haut zu erinnern, bei dem das Stützpapier mit Wasser benetzt werden muss. Obwohl diese Methode einfach ist, wird jeder abrupte Kontakt zwischen Wasser und dem bereits übertragenen Tattoo-Sensor letzteren delaminieren. Während die Anpassungsfähigkeit ultradünner Tattoos ein entscheidender Vorteil für die tragbare Technologie ist, verengt die Anfälligkeit für Wasser und mechanische Reibeanspruchungen die Betriebsdauer des Tattoo-Sensors auf einige Tage.
Wenn ein neuer Elektrodentyp eingeführt wird, hilft EIS, die primäre Bewertung der Leistung der Elektrode im Vergleich zum Benchmark (den Ag/AgCl-Elektroden) zu liefern, bevor mit einer Anwendung fortgefahren wird. Protokollabschnitt 2 beschrieb die EIS-Messungen der hergestellten Elektroden, wenn sie direkt auf den menschlichen Körper aufgebracht wurden, um Erkenntnisse darüber zu erhalten, wie sie elektrisch mit der Haut gekoppelt sind. Die Drei-Elektroden-Konfiguration (Abbildung 2A,B) bewertet die Signalübertragungsfähigkeit über die Skin-Elektroden-Schnittstelle. Die zu untersuchende neuartige Elektrode ist diejenige, die mit dem WE und S des EIS verbunden ist. Die beiden anderen Elektroden werden als CE und RE verwendet. EIS wird in einem potentiostatischen Modus durchgeführt, in dem ein kleiner (0,1 V) sinusförmiger Strom (0,1-100 Hz) zwischen CE und WE angelegt wird, während die Potentialvariation über das RE-S-Paar gemessen wird. Die Impedanz wird dann bei jeder Frequenz berechnet. Die gemessene Impedanz setzt sich aus zwei Beiträgen zusammen: der Hautimpedanz und der Haut-Elektroden-Kontaktimpedanz.
Die kapazitiven und resistiven Verhaltensweisen einer Elektrode werden aus den EIS-Plots definiert (Abbildung 2C). Durch die Entwicklung äquivalenter Schaltkreise, die zu den experimentellen Daten passen, ist es möglich zu verstehen, wie eine Elektrode Biosignale transduziert und welche Art von Schnittstelle sie mit der Hautherstellt 34. Während Tattoo-Elektroden trocken sind und auf der Haut haften, unterscheiden sich ihre Impedanzen geringfügig von den standardmäßig gelierten Ag/AgCl-Elektroden. Das Vorhandensein einer Gelgrenzfläche zwischen der Haut und der Elektrode fördert die Signaltransduktion und senkt die Kontaktimpedanz.
Die mechanische Festigkeit ist ein weiteres wichtiges Merkmal von Wearables. Textile PEDOT:PSS-Elektroden halten nachweislich Dehnungsbelastungenstand 33. In Kombination mit gedruckten ionischen Flüssiggelen bieten sie einen stabilen elektrischen Kontakt mit der Haut und mechanische Robustheit unter tragbaren Bedingungen. Die Dehnbarkeit, Weichheit und strukturelle Porosität, die die Fähigkeit verleihen, Schweiß aufgrund des Kontakts mit dem menschlichen Körper zu passieren, treiben diese Art von Elektrode zur am besten geeigneten Technologie für tragbare Elektronik. Auch hier bleibt die Vernetzung mit elektronischen Systemen heikel. Daher können diese Systeme direkt in das Gewebe eingelagert werden.
Die ultimative Validierung von Hautsensoren kann nur an Probanden durchgeführt werden. Hautsensoren werden durch die Hautvariabilität zwischen den Probanden und verschiedene dynamische Faktoren und Umgebungsbedingungen konditioniert, die sich direkt auf ihre Leistung auswirken. Hier haben wir gezeigt, wie man über eine vollständig portable Plattform aussagekräftige EEG-, EEG-, EMG- und EDA-Tracing erhält. Die Platzierung der Elektroden spielt eine wichtige Rolle, um während der Überwachung zuverlässige und genaue Informationen zu erhalten. Die Analyse der in Abbildung 3 gezeigten Aufzeichnungen kann die Fähigkeit der Elektrode in elektrophysiologischen Aufzeichnungen bestätigen und wertvolle Ergebnisse bei der Körperüberwachung erzielen. Die Aufzeichnungsfähigkeit variiert von extrem schwacher neuronaler Aktivität (Abbildung 3A) bis hin zu Muskelkontraktionen mit hoher Leistung (Abbildung 3C).
In Abbildung 3B und Abbildung 3D zeigen die Herzaktivität und die elektrodermalen Reaktionen die Auflösung und Empfindlichkeit der hergestellten Elektroden. Die Biosignalaufzeichnung liefert nützliche Daten über die Körpergesundheit des Benutzers, die Leistung unter bestimmten Bedingungen und die Reaktion auf spezifische interne oder externe Reize und erweitert ihre Anwendung auf eine Vielzahl von biomedizinischen Studien. Es gibt mehrere tragbare Elektronik-Frontends, um Biosignale wie EKG, EMG, EEG und EDA zu erfassen. Beispiele sind die tragbaren elektrophysiologischen Verstärkerchips RHD2216 von Intan Technologies, das Shimmer Wearable, das DueLite Gerät von OT Bioelettronica, das PLUX Funkgerät in der erweiterten Version (genannt Biosignal PLUX) oder die DIT-Version (genannt BITalino).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit den vorgestellten Protokollen mehrere Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen zur Zustandsüberwachung hergestellt werden können. Zum Beispiel wurden tattoobasierte PEDOT:PSS-Multielektroden-Arrays (MEAs) erfolgreich für Gesichts-EMG eingesetzt, da sie die natürlichen Gesichtsbewegungen nicht beeinträchtigen und eine veränderungsfreie Biosignalaufzeichnung ermöglichen25,35. Dünne und dehnbare Elektroden wurden jedoch durch Tintenstrahldruck PEDOT: PSS auf kostengünstigem, dehnbarem Strumpfhosensubstrat hergestellt, um qualitativ hochwertige EKG-Aufzeichnungen sowohl unter Ruhe- als auch unter Bewegungsbedingungen mit minimalen Beschwerden für den Benutzerzu erhalten 33. Mit diesem Protokoll erhielten wir weiche, anpassungsfähige und angenehme Hautsensoren durch die Strukturierung von leitfähiger Tinte auf handelsüblichen Substraten. Der Tintenstrahldruck ist eine kostengünstige und skalierbare Technik, die sich von herkömmlichen mikroelektronischen Fertigungsprozessen abhebt. Die vorgeschlagene Methode beschreibt, wie elektrophysiologische Signale erfasst werden können, die von schwacher neuronaler Aktivität bis hin zu Muskelkontraktionen mit hoher Leistung variieren. Diese Signale erlauben es, Einblicke in den physiologischen Zustand des Körpers des Nutzers zu erhalten. Insgesamt präsentieren wir erste Schritte zur Machbarkeit nahtlos tragbarer elektronischer Geräte für eine Vielzahl von biomedizinischen Anwendungen, die von der Fitness- bis zur Gesundheitsüberwachung reichen.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der französischen Nationalen Forschungsagentur durch das Projekt ANR JCJC OrgTex (ANR-17-CE19-0010) unterstützt. Es hat auch Mittel aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Sklodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung Nr. 813863 erhalten. E.I. möchte den CMP-Reinraummitarbeitern des Centre Microelectronics in der Provence für ihre technische Unterstützung während der Entwicklung des Projekts danken.
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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