Konforme bærbare elektroder: Fra fabrikasjon til elektrofysiologisk vurdering
Summary
To nylige teknologier-tatovering og tekstiler-har vist lovende resultater i kutan sensing. Her presenterer vi fabrikasjons- og evalueringsmetodene for tatoverings- og tekstilelektroder for kutan elektrofysiologisk sensing. Disse elektroniske grensesnittene laget av ledende polymerer overgår de eksisterende standardene når det gjelder komfort og følsomhet.
Abstract
Bærbare elektroniske enheter blir nøkkelspillere i å overvåke kroppssignalene som hovedsakelig endres under sporing av fysisk aktivitet. Tatt i betraktning den økende interessen for telemedisin og personlig pleie drevet av fremveksten av Tingenes Internett-æra, har bærbare sensorer utvidet sitt bruksområde til helsetjenester. For å sikre innsamling av klinisk relevante data, må disse enhetene etablere konforme grensesnitt med menneskekroppen for å gi opptak av høy signalkvalitet og langsiktig drift. For dette formål presenterer dette papiret en metode for enkelt å fremstille konforme tynne tatoverings- og myke tekstilbaserte sensorer for deres anvendelse som bærbare organiske elektroniske enheter i et bredt spekter av overflateelektrofysiologiske opptak.
Sensorene er utviklet gjennom en kostnadseffektiv og skalerbar prosess med kutan elektrodemønster ved hjelp av poly(3,4-etylendioksythiophene)-poly(styrenesulfonat) (PEDOT:PSS), den mest populære ledende polymeren i bioelektronikk, på off-the-shelf, bærbare substrater. Dette papiret presenterer viktige trinn i elektrodekarakterisering gjennom impedansspektroskopi for å undersøke ytelsen i signaltransduksjon når de kombineres med huden. Komparative studier er nødvendig for å posisjonere ytelsen til nye sensorer med hensyn til den kliniske gullstandarden. For å validere ytelsen til de fabrikkerte sensorene viser denne protokollen hvordan du utfører ulike biosignalopptak fra forskjellige konfigurasjoner gjennom et brukervennlig og bærbart elektronisk oppsett i et laboratoriemiljø. Dette metodepapiret vil tillate flere eksperimentelle initiativer å fremme dagens toppmoderne i bærbare sensorer for overvåking av kroppshelse.
Introduction
Ikke-invasiv biopotential registrering utføres gjennom hudkontaktelektroder, og gir en enorm mengde data om menneskekroppens fysiologiske status i kondisjon og helsetjenester1. Nye typer bærbare biomonitoreringsenheter er utviklet fra de nyeste teknologiske fremskrittene innen elektronikk gjennom nedskalering av integrert styring og kommunikasjon av komponenter til bærbare dimensjoner. Smarte overvåkingsenheter gjennomsyrer markedet daglig, og tilbyr flere overvåkingsfunksjoner med det endelige målet å gi tilstrekkelig fysiologisk innhold for å muliggjøre medisinsk diagnostikk2. Derfor byr sikre, pålitelige og robuste grensesnitt med menneskekroppen på kritiske utfordringer i utviklingen av legitime bærbare teknologier for helsetjenester. Tatovering og tekstilelektroder har nylig dukket opp som pålitelige og stabile grensesnitt oppfattet som innovative, komfortable enheter for bærbar biosensing 3,4,5.
Tatoveringssensorer er tørre og tynne grensesnitt som, på grunn av deres lave tykkelse (~ 1 μm), sikrer limfri, konform hudkontakt. De er basert på et kommersielt tilgjengelig tatoveringspapirsett sammensatt av en lagdelt struktur, noe som gjør det mulig å frigjøre et ultratynn polymerlag på huden6. Den lagdelte strukturen gir også enkel håndtering av det tynne polymere laget under sensorens fabrikasjonsprosess og overføring til huden. Den endelige elektroden er fullt konform og nesten umerkelig for brukeren. Tekstilsensorer er elektroniske enheter hentet fra stofffunksjonalisering med elektroaktive materialer7. De er hovedsakelig integrert eller bare sydd i klær for å sikre brukerens komfort på grunn av deres mykhet, pusteevne og tydelig affinitet med plagg. I nesten et tiår har tekstil- og tatoveringselektroder blitt vurdert i overflateelektrofysiologiske opptak 3,8,9, som viser gode resultater både i slitasje og signalkvalitetsopptak og rapportering av høyt signal-til-støy-forhold (SNR) i kortsiktige og langsiktige evalueringer. De er også oppfattet som en potensiell plattform for bærbar biokjemisk svetteanalyse 1,10.
Den økende interessen for tatovering, tekstil og generelt fleksible tynnfilmteknologier (f.eks. de som er laget av plastfolier som parylen eller forskjellige elastomerer) fremmes hovedsakelig av kompatibiliteten med rimelige og skalerbare fabrikasjonsmetoder. Silketrykk, blekkskriver, direkte mønster, dipbelegg og stempeloverføring er vellykket vedtatt for å produsere slike typer elektroniske grensesnitt11. Blant disse er blekkskrivering den mest avanserte digitale og raske prototypingsteknikken. Det brukes hovedsakelig på mønsteret av ledende blekk i en ikke-kontakt, additiv mote under omgivelsesforhold og på et stort utvalg av substrater12. Selv om flere bærbare sensorer har blitt fremstilt gjennom edelt metallblekkmønster13, er metallfilmer sprø og gjennomgår sprekker når de er mekanisk stresset. Ulike forskningsgrupper har tatt i bruk ulike strategier for å gi metaller en egenskap av mekanisk kompatibilitet med huden. Disse strategiene inkluderer å redusere filmtykkelsen og bruke serpentindesign eller rynkete og prestretched substrater 14,15,16. Myke og iboende fleksible ledende materialer, som ledende polymerer, fant sin anvendelse i fleksible bioelektroniske enheter. Deres polymere fleksibilitet kombineres med elektrisk og ionisk ledningsevne. PEDOT:PSS er den mest brukte ledende polymeren i bioelektronikk. Den er preget av mykhet, biokompatibilitet, bærekraft og utskriftsprosesserbarhet17, noe som gjør den kompatibel med den utbredte produksjonen av biomedisinske enheter.
Enheter, for eksempel plane elektroder koblet til et oppkjøpssystem, tillater opptak av biopotentialer i helseovervåking. Biopotentielle mennesker er elektriske signaler generert av elektrogene celler som forplanter seg gjennom kroppen opp til hudoverflaten. I henhold til hvor elektrodene er plassert, er det mulig å skaffe data relatert til hjernens elektriske aktivitet (EEG), muskler (EMG), hjerte (EKG) og hudledningsevne (f.eks. bioimpedans eller elektrodermal aktivitet, EDA). Kvaliteten på dataene vurderes deretter for å evaluere brukervennligheten til elektrodene i kliniske applikasjoner. En høy SNR definerer deres ytelse18, som vanligvis sammenlignes med toppmoderne Ag / AgCl elektrodeopptak. Selv om Ag/AgCl-elektrodene også har høy SNR, mangler de langsiktig driftsevne og konform slitestyrke. Biosignalopptak av høy kvalitet gir innsikt i menneskers helsestatus knyttet til et bestemt organs funksjon. Dermed indikerer disse fordelene med komfortable tatoverings- eller tekstilgrensesnitt deres løfte for langsiktige applikasjoner som kan muliggjøre mobil helseovervåking i det virkelige liv og bane vei for utviklingen av telemedisin19.
Dette papiret rapporterer hvordan man fremstiller og vurderer tatoverings- og tekstilelektroder i helsebiomonitorering. Etter fabrikasjonen må en ny elektrode karakteriseres. Vanligvis er elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) vedtatt for å studere elektrodens elektriske ytelse med hensyn til et målgrensesnitt (f.eks. hud) når det gjelder overføringsfunksjonen. EIS brukes til å sammenligne impedansegenskapene til flere elektroder og utføre tester under forskjellige forhold (f.eks. variere elektrodedesignet eller studere langsiktige responser). Dette papiret viser opptak av overflatebiosignaler gjennom et enkelt oppsett og rapporterer en brukervennlig metode for å registrere forskjellige typer biosignaler som gjelder for enhver ny fabrikkert elektrode som må valideres for kutane biopotentielle opptak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette papiret beskriver en enkel og skalerbar prosess for å fremstille bærbare elektroder og demonstrerer en metode for registrering av elektrofysiologiske biosignaler. Den bruker tre eksempler på bærbare substrater, for eksempel tatovering, tekstil og tynne filmer. Den introduserer hvordan man bygger en sensor på disse substratene og karakteriserer ytelsen før den brukes. For å lage elektrodene her, brukte vi PEDOT: PSS, en ledende polymer som skiller seg ut fra metallbaserte ledere på grunn av kostnadseffektivi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av det franske nasjonale forskningsbyrået gjennom ANR JCJC OrgTex-prosjektet (ANR-17-CE19-0010). Det har også fått støtte fra EUs forsknings- og innovasjonsprogram Horizon 2020 under Marie Sklodowska-Curie-tilskuddsavtalen 813863 nr. E.I. ønsker å takke CMP cleanroom ansatte på Centre Microelectronics i Provence for deres tekniske støtte under utviklingen av prosjektet.
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).
