Formbara bärbara elektroder: Från tillverkning till elektrofysiologisk bedömning
Summary
Två nya tekniker – tatuering och textilier – har visat lovande resultat i kutan avkänning. Här presenterar vi tillverknings- och utvärderingsmetoder för tatuerings- och textilelektroder för kutan elektrofysiologisk avkänning. Dessa elektroniska gränssnitt gjorda av ledande polymerer överträffar de befintliga standarderna när det gäller komfort och känslighet.
Abstract
Bärbara elektroniska enheter blir nyckelaktörer för att övervaka kroppssignalerna som huvudsakligen förändras under spårning av fysisk aktivitet. Med tanke på det växande intresset för telemedicin och personlig vård som drivs av uppkomsten av Internet of Things-eran har bärbara sensorer utökat sitt användningsområde till sjukvården. För att säkerställa insamling av kliniskt relevanta data måste dessa produkter upprätta konforma gränssnitt med människokroppen för att tillhandahålla inspelningar av hög signalkvalitet och långvarig drift. För detta ändamål presenterar detta papper en metod för att enkelt tillverka formbara tunna tatuerings- och mjuka textilbaserade sensorer för deras tillämpning som bärbara organiska elektroniska enheter i ett brett spektrum av ytelektrofysiologiska inspelningar.
Sensorerna utvecklas genom en kostnadseffektiv och skalbar process av kutan elektrodmönster med poly (3,4-etylendioxitiofen) -poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS), den mest populära ledande polymeren inom bioelektronik, på färdiga, bärbara substrat. Detta dokument presenterar viktiga steg i elektrodkarakterisering genom impedansspektroskopi för att undersöka deras prestanda vid signaltransduktion i kombination med huden. Jämförande studier krävs för att positionera prestandan hos nya sensorer i förhållande till den kliniska guldstandarden. För att validera de tillverkade sensorernas prestanda visar detta protokoll hur man utför olika biosignalinspelningar från olika konfigurationer genom en användarvänlig och bärbar elektronisk installation i laboratoriemiljö. Detta metodpapper kommer att möjliggöra flera experimentella initiativ för att främja den nuvarande tekniken inom bärbara sensorer för övervakning av människokroppens hälsa.
Introduction
Icke-invasiv biopotentialinspelning utförs genom hudkontaktelektroder, vilket ger en stor mängd data om människokroppens fysiologiska status inom fitness och sjukvård1. Nya typer av bärbara biomonitoreringsenheter har utvecklats från de senaste tekniska framstegen inom elektronik genom nedskalning av integrerade styr- och kommunikationskomponenter till bärbara dimensioner. Smarta övervakningsenheter genomsyrar marknaden dagligen och erbjuder flera övervakningsfunktioner med det slutliga målet att tillhandahålla tillräckligt fysiologiskt innehåll för att möjliggöra medicinsk diagnostik2. Därför utgör säkra, pålitliga och robusta gränssnitt med människokroppen kritiska utmaningar i utvecklingen av legitim bärbar teknik för hälso- och sjukvård. Tatuerings- och textilelektroder har nyligen dykt upp som pålitliga och stabila gränssnitt som uppfattas som innovativa, bekväma enheter för bärbar biosensing 3,4,5.
Tatueringssensorer är torra och tunna gränssnitt som på grund av sin låga tjocklek (~ 1 μm) säkerställer limfri, formbar hudkontakt. De är baserade på ett kommersiellt tillgängligt tatueringspapperssats som består av en skiktad struktur, vilket möjliggör frisättning av ett ultratunnt polymerskikt på huden6. Den skiktade strukturen möjliggör också enkel hantering av det tunna polymera skiktet under sensorns tillverkningsprocess och dess överföring till huden. Den slutliga elektroden är helt konform och nästan omärkbar för bäraren. Textilsensorer är elektroniska anordningar erhållna från tygfunktionalisering med elektroaktiva material7. De är huvudsakligen integrerade eller helt enkelt sydda i kläder för att säkerställa användarens komfort på grund av deras mjukhet, andningsförmåga och uppenbara affinitet med plagg. I nästan ett decennium har textil- och tatueringselektroder utvärderats i ytelektrofysiologiska inspelningar 3,8,9, vilket visar goda resultat både i bärbarhet och signalkvalitetsinspelningar och rapporterar högt signal-brusförhållande (SNR) i kort- och långsiktiga utvärderingar. De är också tänkta som en potentiell plattform för bärbar biokemisk svettanalys 1,10.
Det växande intresset för tatuering, textil och i allmänhet flexibel tunnfilmsteknik (t.ex. de som är gjorda av plastfolier som parylen eller olika elastomerer) främjas främst av kompatibiliteten med billiga och skalbara tillverkningsmetoder. Screentryck, bläckstråleutskrift, direkt mönstring, doppbeläggning och stämpelöverföring har framgångsrikt antagits för att producera sådana typer av elektroniska gränssnitt11. Bland dessa är bläckstråleutskrift den mest avancerade digitala och snabba prototyptekniken. Det appliceras huvudsakligen på mönstring av ledande bläck på ett kontaktfritt, additivt sätt under omgivande förhållanden och på en mängd olika substrat12. Även om flera bärbara sensorer har tillverkats genom ädelmetallbläckmönster13, är metallfilmer spröda och genomgår sprickbildning när de är mekaniskt stressade. Olika forskargrupper har antagit olika strategier för att förse metaller med egenskapen mekanisk kompatibilitet med huden. Dessa strategier inkluderar att minska filmtjockleken och använda serpentindesigner eller skrynkliga och försträckta underlag 14,15,16. Mjuka och inneboende flexibla ledande material, såsom ledande polymerer, fann sin tillämpning i flexibla bioelektroniska anordningar. Deras polymera flexibilitet kombineras med elektrisk och jonisk ledningsförmåga. PEDOT:PSS är den mest använda ledande polymeren inom bioelektronik. Det kännetecknas av mjukhet, biokompatibilitet, hållbarhet och tryckbearbetningsförmåga17, vilket gör den kompatibel med den utbredda produktionen av biomedicinska enheter.
Enheter, såsom plana elektroder anslutna till ett förvärvssystem, möjliggör registrering av biopotentialer i hälsoövervakning. Människokroppens biopotentialer är elektriska signaler som genereras av elektrogena celler som sprider sig genom kroppen upp till hudytan. Beroende på var elektroderna är placerade är det möjligt att förvärva data relaterade till hjärnans elektriska aktivitet (EEG), muskler (EMG), hjärta (EKG) och hudledningsförmåga (t.ex. bioimpedans eller elektrodermal aktivitet, EDA). Kvaliteten på data bedöms sedan för att utvärdera elektrodernas användbarhet i kliniska tillämpningar. En hög SNR definierar deras prestanda18, vilket vanligtvis jämförs med toppmoderna Ag / AgCl-elektrodinspelningar. Även om Ag/AgCl-elektroderna också har hög SNR, saknar de långsiktig drift och formbar bärbarhet. Högkvalitativa biosignalinspelningar ger insikter om människors hälsotillstånd relaterat till ett visst organs funktion. Således indikerar dessa fördelar med bekväma tatuerings- eller textilgränssnitt deras löfte för långsiktiga applikationer som kan möjliggöra verklig mobil hälsoövervakning och bana väg för utvecklingen av telemedicin19.
Denna uppsats rapporterar hur man tillverkar och bedömer tatuerings- och textilelektroder vid hälsobiomonitorering. Efter tillverkningen måste en ny elektrod karakteriseras. Vanligtvis antas elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att studera elektrodens elektriska prestanda med avseende på ett målgränssnitt (t.ex. hud) när det gäller överföringsfunktionen. EIS används för att jämföra impedansegenskaperna hos flera elektroder och utföra tester under olika förhållanden (t.ex. variera elektroddesignen eller studera långsiktiga svar). Detta dokument visar inspelningen av ytbiosignaler genom en enkel installation och rapporterar en användarvänlig metod för att spela in olika typer av biosignaler som är tillämpliga på alla nya tillverkade elektroder som behöver valideras för kutana biopotentialinspelningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument beskriver en enkel och skalbar process för att tillverka bärbara elektroder och demonstrerar en metod för inspelning av elektrofysiologiska biosignaler. Den använder tre exempel på bärbara underlag, såsom tatuering, textil och tunna filmer. Den introducerar hur man bygger en sensor på dessa underlag och karakteriserar dess prestanda före dess tillämpning. För att tillverka elektroderna här använde vi PEDOT: PSS, en ledande polymer som sticker ut från metallbaserade ledare på grund av dess ko…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av den franska nationella forskningsbyrån genom ANR JCJC OrgTex-projektet (ANR-17-CE19-0010). Det har också fått finansiering från Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram Horizon 2020 enligt Marie Sklodowska-Curie-bidragsavtalet nr 813863. E.I. vill tacka CMP:s renrumspersonal vid Centre Microelectronics i Provence för deras tekniska stöd under projektets utveckling.
Materials
| 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 |
References
- Kim, J., et al. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system. ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).
- Ha, M., Lim, S., Ko, H. Wearable and flexible sensors for user-interactive health-monitoring devices. Journal of Materials Chemistry B. 6 (24), 4043-4064 (2018).
- Kim, D. H., et al. Epidermal electronics. Science. 333 (6044), 838-843 (2011).
- Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).
- Windmiller, J. R., et al. Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos. Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).
- Ferrari, L. M., Ismailov, U., Badier, J. M., Greco, F., Ismailova, E. Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography. npj Flexible Electronics. 4 (1), 1-9 (2020).
- Heo, J. S., Eom, J., Kim, Y. H., Park, S. K. Recent progress of textile-based wearable electronics: A comprehensive review of materials, devices, and applications. Small. 14 (3), 1-16 (2018).
- Nigusse, A. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Tseghai, G. B., Van Langenhove, L. Wearable smart textiles for long-term electrocardiography monitoring-a review. Sensors. 21 (12), 4174 (2021).
- Wang, Y., et al. Electrically compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiology at scale. Science Advances. 6 (43), (2020).
- Fan, W., et al. Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring. Science Advances. 6 (11), (2020).
- Tseghai, G. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Fante, K. A., Van Langenhove, L. PEDOT:PSS-based conductive textiles and their applications. Sensors. 20 (7), 1-18 (2020).
- Magliulo, M., et al. Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices. Journal of Materials Chemistry C. 3 (48), 12347-12363 (2015).
- Raut, N. C., Al-Shamery, K. Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics. Journal of Materials Chemistry C. 6 (7), 1618-1641 (2018).
- Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499 (7459), 458-463 (2013).
- Kim, D. H., et al. Optimized structural designs for stretchable silicon integrated circuits. Small. 5 (24), 2841-2847 (2009).
- Yu, Y., Peng, S., Blanloeuil, P., Wu, S., Wang, C. H. Wearable temperature sensors with enhanced sensitivity by engineering microcrack morphology in PEDOT:PSS-PDMS sensors. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (32), 36578-36588 (2020).
- Martin, D. C., Malliaras, G. G. Interfacing electronic and ionic charge transport in bioelectronics. ChemElectroChem. 3 (5), 686-688 (2016).
- Inzelberg, L., Hanein, Y. Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship. Frontiers in Neuroscience. 12, 992 (2019).
- Kim, J., Campbell, A. S., de Ávila, B. E. F., Wang, J. Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).
- Bihar, E., et al. Fully inkjet-printed, ultrathin and conformable organic photovoltaics as power source based on cross-linked PEDOT:PSS electrodes. Advanced Materials Technologies. 5 (8), 2000226 (2020).
- Bihar, E., et al. Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography. Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004 (2018).
- Seekaew, Y., et al. Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection. Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).
- Ferrari, L. M., Keller, K., Burtscher, B., Greco, F. Temporary tattoo as unconventional substrate for conformable and transferable electronics on skin and beyond. Multifunctional Materials. 3 (3), 032003 (2020).
- Searle, A., Kirkup, L. A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes. Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).
- Ferrari, L. M., et al. Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology. Advanced Science. 5 (3), 1700771 (2018).
- Teplan, M. Fundamental of EEG measurement. Measurement Science Review. 2 (2), 1-11 (2002).
- Pachori, R., Gupta, V., Firouzi, F., Chakrabarty, K., Nassif, S. Biomedical engineering fundamentals. Intelligent Internet of Things. From Device to Fog and Cloud. , 547-605 (2019).
- Caruelle, D., Gustafsson, A., Shams, P., Lervik-Olsen, L. The use of electrodermal activity (EDA) measurement to understand consumer emotions-A literature review and a call for action. Journal of Business Research. 104, 146-160 (2019).
- Huseynova, G., Hyun Kim, Y., Lee, J. H., Lee, J. Rising advancements in the application of PEDOT:PSS as a prosperous transparent and flexible electrode material for solution-processed organic electronics. Journal of Information Display. 21 (2), 71-91 (2020).
- Bonnassieux, Y., et al. The 2021 flexible and printed electronics roadmap. Flexible and Printed Electronics. 6, 023001 (2022).
- Nawrocki, R. A. Super- and ultrathin organic field-effect transistors: from flexibility to super- and ultraflexibility. Advanced Functional Materials. 29 (51), 1-12 (2019).
- Kim, I., Shahariar, H., Ingram, W. F., Zhou, Y., Jur, J. S. Inkjet process for conductive patterning on textiles: Maintaining inherent stretchability and breathability in knit structures. Advanced Functional Materials. 29 (7), 1807573 (2019).
- Bihar, E., et al. Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology. Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251 (2017).
- Ferrari, L. M., Ismailov, U., Greco, F., Ismailova, E. Capacitive coupling of conducting polymer tattoo electrodes with the skin. Advanced Materials Interfaces. 8 (15), 2100352 (2021).
- Inzelberg, L., Rand, D., Steinberg, S., David-Pur, M., Hanein, Y. A wearable high-resolution facial electromyography for long term recordings in freely behaving humans. Scientific Reports. 8 (1), 2058 (2018).
