Électrodes portables conformables : de la fabrication à l’évaluation électrophysiologique

Summary

Deux technologies récentes – tatouage et textiles – ont démontré des résultats prometteurs dans la détection cutanée. Nous présentons ici les méthodes de fabrication et d’évaluation des électrodes de tatouage et textiles pour la détection électrophysiologique cutanée. Ces interfaces électroniques en polymères conducteurs surpassent les normes existantes en termes de confort et de sensibilité.

Abstract

Les appareils électroniques portables deviennent des acteurs clés dans la surveillance des signaux corporels principalement altérés lors du suivi de l’activité physique. Compte tenu de l’intérêt croissant pour la télémédecine et les soins personnalisés provoqué par l’essor de l’ère de l’Internet des objets, les capteurs portables ont élargi leur champ d’application aux soins de santé. Pour assurer la collecte de données cliniquement pertinentes, ces dispositifs doivent établir des interfaces conformes avec le corps humain afin de fournir des enregistrements de haute qualité de signal et un fonctionnement à long terme. À cette fin, cet article présente une méthode permettant de fabriquer facilement des capteurs à base de tatouage mince et de textile souple conformables pour leur application en tant que dispositifs électroniques organiques portables dans un large éventail d’enregistrements électrophysiologiques de surface.

Les capteurs sont développés grâce à un processus rentable et évolutif de modelage d’électrodes cutanées utilisant le poly(3,4-éthylènedioxythiophène)-poly(styrènesulfonate) (PEDOT:PSS), le polymère conducteur le plus populaire en bioélectronique, sur des substrats portables prêts à l’emploi. Cet article présente les étapes clés de la caractérisation des électrodes par spectroscopie d’impédance pour étudier leur performance dans la transduction du signal lorsqu’elle est couplée à la peau. Des études comparatives sont nécessaires pour positionner les performances de nouveaux capteurs par rapport à l’étalon-or clinique. Pour valider les performances des capteurs fabriqués, ce protocole montre comment effectuer divers enregistrements de biosignaux à partir de différentes configurations grâce à une configuration électronique conviviale et portable dans un environnement de laboratoire. Ce document sur les méthodes permettra à de multiples initiatives expérimentales de faire progresser l’état actuel de la technique en matière de capteurs portables pour la surveillance de la santé du corps humain.

Introduction

L’enregistrement biopotentiel non invasif est effectué à l’aide d’électrodes de contact avec la peau, fournissant une grande quantité de données sur l’état physiologique du corps humain en matière de conditionnement physique et de soins de santé¹. De nouveaux types de dispositifs de biosurveillance portables ont été développés à partir des dernières avancées technologiques en électronique grâce à la réduction d’échelle des composants de contrôle et de communication intégrés aux dimensions portables. Les appareils de surveillance intelligents envahissent le marché quotidiennement, offrant de multiples capacités de surveillance dans le but ultime de fournir un contenu physiologique suffisant pour permettre le diagnostic médical². Par conséquent, des interfaces sûres, fiables et robustes avec le corps humain présentent des défis critiques dans le développement de technologies portables légitimes pour les soins de santé. Les électrodes de tatouage et de textile sont récemment apparues comme des interfaces fiables et stables perçues comme des dispositifs innovants et confortables pour la biodétection portable ^3,4,5.

Les capteurs de tatouage sont des interfaces sèches et minces qui, en raison de leur faible épaisseur (~ 1 μm), assurent un contact cutané sans adhésif et conformable. Ils sont basés sur un kit de papier de tatouage disponible dans le commerce composé d’une structure en couches, ce qui permet la libération d’une couche polymère ultramince sur la peau⁶. La structure en couches permet également une manipulation facile de la couche polymère mince pendant le processus de fabrication du capteur et son transfert à la peau. L’électrode finale est entièrement conformable et presque imperceptible pour le porteur. Les capteurs textiles sont des dispositifs électroniques obtenus à partir de la fonctionnalisation du tissu avec des matériaux électroactifs⁷. Ils sont principalement intégrés ou simplement cousus dans des vêtements pour assurer le confort de l’utilisateur en raison de leur douceur, de leur respirabilité et de leur affinité évidente avec les vêtements. Depuis près d’une décennie, les électrodes textiles et de tatouage sont évaluées dans des enregistrements électrophysiologiques de surface ^3,8,9, montrant de bons résultats à la fois dans les enregistrements de portabilité et de qualité du signal et signalant un rapport signal/bruit (SNR) élevé dans les évaluations à court et à long terme. Ils sont également conçus comme une plate-forme potentielle pour l’analyse biochimique de la sueur portable ^1,10.

L’intérêt croissant pour les technologies de tatouage, de textile et, en général, de couche mince flexible (par exemple, celles faites de feuilles de plastique telles que le parylène ou différents élastomères) est principalement favorisé par la compatibilité avec des méthodes de fabrication peu coûteuses et évolutives. La sérigraphie, l’impression à jet d’encre, le motif direct, le revêtement par immersion et le transfert de timbres ont été adoptés avec succès pour produire ce type d’interfaces électroniques¹¹. Parmi celles-ci, l’impression jet d’encre est la technique de prototypage numérique et rapide la plus avancée. Il est principalement appliqué au modelage d’encres conductrices de manière additive sans contact dans des conditions ambiantes et sur une grande variété de substrats¹². Bien que plusieurs capteurs portables aient été fabriqués à l’aide d’encre de métal noble¹³, les films métalliques sont fragiles et se fissurent lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Différents groupes de recherche ont adopté différentes stratégies pour doter les métaux de la propriété de compatibilité mécanique avec la peau. Ces stratégies comprennent la réduction de l’épaisseur du film et l’utilisation de motifs serpentins ou de substrats ridés et préétrés ^14,15,16. Les matériaux conducteurs souples et intrinsèquement flexibles, tels que les polymères conducteurs, ont trouvé leur application dans les dispositifs bioélectroniques flexibles. Leur flexibilité polymère est combinée à la conductivité électrique et ionique. PEDOT:PSS est le polymère conducteur le plus utilisé en bioélectronique. Il se caractérise par sa douceur, sa biocompatibilité, sa durabilité et sa capacité d’impression¹⁷, ce qui le rend compatible avec la production généralisée de dispositifs biomédicaux.

Les dispositifs, tels que les électrodes planes connectées à un système d’acquisition, permettent l’enregistrement de biopotentiels dans la surveillance de la santé. Les biopotentiels du corps humain sont des signaux électriques générés par des cellules électrogènes qui se propagent à travers le corps jusqu’à la surface de la peau. Selon l’endroit où les électrodes sont placées, il est possible d’acquérir des données relatives à l’activité électrique du cerveau (EEG), des muscles (EMG), du cœur (ECG) et de la conductivité cutanée (par exemple, bioimpédance ou activité électrodermique, EDA). La qualité des données est ensuite évaluée pour évaluer la facilité d’utilisation des électrodes dans les applications cliniques. Un SNR élevé définit leur performance¹⁸, qui est généralement comparée aux enregistrements d’électrodes Ag/AgCl de pointe. Bien que les électrodes Ag/AgCl aient également un SNR élevé, elles manquent d’opérationnalité à long terme et de portabilité conformable. Des enregistrements de biosignaux de haute qualité fournissent des informations sur l’état de santé humaine lié à la fonction d’un organe particulier. Ainsi, ces avantages d’interfaces de tatouage ou de textile confortables indiquent leur promesse pour des applications à long terme qui peuvent permettre une surveillance de la santé mobile réelle et ouvrir la voie au développement de la télémédecine¹⁹.

Cet article explique comment fabriquer et évaluer les électrodes de tatouage et de textile dans la biosurveillance de la santé. Après sa fabrication, une nouvelle électrode doit être caractérisée. En règle générale, la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est adoptée pour étudier la performance électrique de l’électrode par rapport à une interface cible (par exemple, la peau) en termes de fonction de transfert. L’EIE est utilisé pour comparer les caractéristiques d’impédance de plusieurs électrodes et effectuer des essais dans différentes conditions (p. ex., faire varier la conception de l’électrode ou étudier les réponses à long terme). Cet article montre l’enregistrement des biosignaux de surface grâce à une configuration facile et présente une méthode conviviale pour enregistrer différents types de biosignaux applicables à toute nouvelle électrode fabriquée qui doit être validée pour les enregistrements biopotentiels cutanés.

Protocol

REMARQUE : Les expériences impliquant des sujets humains n’impliquaient pas la collecte de renseignements privés identifiables liés à l’état de santé de la personne et ne sont utilisées ici qu’à des fins de démonstration technologique. Les données ont été calculées en moyenne sur trois sujets différents. Les enregistrements électrophysiologiques ont été extraits de données précédemment publiées 6,21. 1….

Representative Results

Cet article montre la fabrication d’électrodes confortables en contact avec la peau par impression à jet d’encre et une méthode pour les caractériser et effectuer des enregistrements électrophysiologiques. Nous avons signalé les étapes de fabrication de l’impression jet d’encre PEDOT:PSS directement sur différents substrats, tels que le tissu (Figure 1A), le PEN (Figure 1B) et le papier de tatouage (Figure 1C…

Discussion

Cet article décrit un processus facile et évolutif pour fabriquer des électrodes portables et démontre une méthode d’enregistrement des biosignaux électrophysiologiques. Il utilise trois exemples de substrats portables, tels que le tatouage, le textile et les films minces. Il explique comment construire un capteur sur ces substrats et caractériser ses performances avant son application. Pour fabriquer les électrodes ici, nous avons utilisé PEDOT:PSS, un polymère conducteur qui se distingue des conducteurs à …

Materials

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