适形可穿戴电极:从制造到电生理评估

摘要

最近的两项技术 - 纹身和纺织品 - 已经在皮肤感应方面显示出有希望的结果。在这里，我们介绍了用于皮肤电生理传感的纹身和纺织电极的制造和评估方法。这些由导电聚合物制成的电子接口在舒适性和灵敏度方面优于现有标准。

摘要

可穿戴电子设备正在成为监测身体信号的关键参与者，这些信号在身体活动跟踪过程中主要发生变化。考虑到物联网时代的兴起对远程医疗和个性化护理的兴趣日益浓厚，可穿戴传感器已将其应用领域扩展到医疗保健领域。为了确保临床相关数据的收集，这些设备需要与人体建立兼容的接口，以提供高信号质量的记录和长期操作。为此，本文提出了一种轻松制造适形薄纹身和软纺织品传感器的方法，用于在广泛的表面电生理记录中作为可穿戴有机电子设备应用。

这些传感器是通过经济高效且可扩展的皮肤电极图案化工艺开发的，使用聚（3，4-乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS），生物电子学中最受欢迎的导电聚合物，在现成的可穿戴基板上。本文介绍了通过阻抗谱表征电极的关键步骤，以研究它们与皮肤耦合时在信号转导中的表现。需要比较研究来定位新型传感器的性能与临床黄金标准的关系。为了验证制造的传感器的性能，该协议展示了如何在实验室环境中通过用户友好的便携式电子设置从不同配置执行各种生物信号记录。该方法论文将允许多项实验计划，以推进用于人体健康监测的可穿戴传感器的当前技术水平。

引言

通过皮肤接触电极进行无创生物电势记录，提供有关人体在健身和医疗保健中的生理状态的大量数据¹。新型可穿戴生物监测设备已经从电子学的最新技术进步发展到将集成控制和通信组件缩小到便携式尺寸。智能监测设备每天遍布市场，提供多种监测功能，最终目标是提供足够的生理内容以实现医疗诊断²。因此，与人体的安全、可靠和强大的接口在开发合法的医疗保健可穿戴技术方面提出了关键挑战。纹身和纺织电极最近作为可靠和稳定的接口出现，被认为是用于可穿戴生物传感的创新，舒适的设备^3，4，5。

纹身传感器是干燥和薄的界面，由于其厚度低（〜1μm），可确保无粘合剂，适形的皮肤接触。它们基于由分层结构组成的市售纹身纸套件，其允许在皮肤上释放超薄聚合物层⁶。分层结构还允许在传感器的制造过程中轻松处理薄聚合物层并将其转移到皮肤。最终电极是完全顺应的，佩戴者几乎无法察觉。纺织传感器是用电活性材料7从织物功能化中获得的^电子设备。它们主要集成或简单地缝制在衣服上，以确保用户的舒适性，因为它们的柔软性，透气性以及与服装的明显亲和力。近十年来，纺织品和纹身电极已在表面电生理记录^3，8，9中进行了评估，在耐磨性和信号质量记录中都显示出良好的结果，并在短期和长期评估中报告了高信噪比（SNR）。它们还被认为是可穿戴生化汗液分析^1，10的潜在平台。

对纹身，纺织品以及一般而言，柔性薄膜技术（例如，由聚对二甲苯或不同弹性体等塑料箔制成的薄膜技术）的兴趣日益浓厚，这主要是通过与低成本和可扩展的制造方法的兼容性来促进的。丝网印刷、喷墨印刷、直接图案化、浸渍涂布、印章转移等已成功用于生产此类电子接口¹¹。其中，喷墨打印是最先进的数字和快速原型制作技术。它主要应用于在环境条件下和各种基材上以非接触式添加剂方式对导电油墨进行图案化¹².虽然已经通过贵金属油墨图案^化13制造了多个可穿戴传感器，但金属薄膜在机械应力作用下会变脆并开裂。不同的研究小组采用了不同的策略来赋予金属与皮肤机械相容的特性。这些策略包括减少薄膜厚度和使用蛇纹石设计或褶皱和预拉伸基板^14，15，16。柔软且本质上具有柔韧性的导电材料，如导电聚合物，在柔性生物电子器件中得到了应用。它们的聚合物柔韧性与电导率和离子导电性相结合。PEDOT:PSS是生物电子学中最常用的导电聚合物。它的特点是柔软性，生物相容性，可持续性和印刷加工性¹⁷，这使其与生物医学设备的广泛生产相容。

设备，例如连接到采集系统的平面电极，允许在健康监测中记录生物电势。人体生物电势是由电原细胞产生的电信号，通过身体传播到皮肤表面。根据电极的放置位置，可以获取与大脑电活动（EEG），肌肉（EMG），心脏（ECG）和皮肤电导率（例如，生物阻抗或电活动，EDA）相关的数据。然后评估数据的质量，以评估电极在临床应用中的可用性。高SNR定义了它们的性能¹⁸，这通常与最先进的Ag / AgCl电极记录进行比较。虽然Ag/AgCl电极也具有高SNR，但它们缺乏长期可操作性和适时的耐磨性。高质量的生物信号记录提供了与特定器官功能相关的人类健康状况的见解。因此，舒适的纹身或纺织品界面的这些好处表明了它们对长期应用的前景，这些应用可以实现现实生活中的移动健康监测，并为远程医疗的发展铺平道路¹⁹。

本文报告了如何在健康生物监测中制造和评估纹身和纺织电极。制造完成后，必须对新型电极进行表征。通常，采用电化学阻抗谱（EIS）来研究电极相对于目标界面（例如，皮肤）的传递函数的电性能。EIS用于比较多个电极的阻抗特性，并在不同条件下进行测试（例如，改变电极设计或研究长期响应）。本文展示了通过简单的设置记录表面生物信号，并报告了一种用户友好的方法来记录适用于任何需要验证皮肤生物电位记录的新型制造电极的不同类型的生物信号。

研究方案

注意:涉及人类受试者的实验不涉及收集与个人健康状况相关的可识别私人信息，此处仅用于技术演示。对三个不同受试者的数据进行了平均。电生理学记录是从先前发表的数据^6，21中提取的。

1. 喷墨印刷PEDOT:PSS电极制造

注:以下方案已用于在商用柔性基材（纹身纸6和纺织品²¹）上制造用于电生理学的电极。同样的方法已在很大程度上被采用在柔性基板上制造电极，例如薄塑料箔²²。在所有情况下，喷墨打印机都用于PEDOT:PSS的图案化（参见材料表）。

1. 电极基板预处理
   1. 切一块感兴趣的基材。
      1. 当使用纹身基材时，在印刷前用水清洗，以从纸张²³中除去最上面的水溶性层。
         注意:纹身纸套件还提供了用于这项工作的胶片，既可以增强纹身附着力，也可以作为钝化层。纹身纸具有分层结构（补充图S1），包括支撑纸片，水溶性聚乙烯醇（PVA）层，可释放的聚氨酯膜和最顶层的PVA层。胶片具有层状结构，由硅胶纸为载体，水性丙烯酸胶和顶部离型纸组成。
   2. 要制造可穿戴传感器，请开始切割感兴趣的基板。将承印物放在打印机板上，用胶带粘住其边框以保持其平坦。
2. 印刷:PSS油墨
   1. 准备要打印的设计，例如圆形（直径12毫米），底部有一个矩形垫（3毫米x 7毫米），后者用于互连。
   2. 过滤后，用PEDOT:PSS商用墨水填充打印机墨盒（10 pl）。这是导电聚合物的水分散体。
   3. 在基材上打印设计。
      1. 当使用纹身纸和纺织品时，它们分别具有中高的表面能和吸收性能，打印的滴间距约为20μm。
      2. 连续或通过在各层之间应用干燥过程（110°C持续15分钟）打印多个PEDOT:PSS层，以创建均匀且连续的导电图案。
         注意:这在纺织电极的情况下尤其需要，其中纺织品的3D样结构需要更多的油墨含量才能在织物内产生连续的导电路径。
   4. 电极在110°C下在烘箱中干燥15分钟以完成溶剂蒸发。
      注意:通过一次打印多个设备（图1D）在纺织品，PET和纹身纸上获得的电极（图1A-C）现在可以存储在封闭，清洁和干燥的环境中，然后再继续下一步。
3. 外部连接器制造
   1. 纹身电极
      1. 切割一块矩形的聚萘二甲酸乙二醇酯 （PEN） 基材（8 mm x 12 mm，厚度 1.3 mm）。
      2. 打印矩形设计（3 mm x 12 mm），在基材顶部有三个 PEDOT:PSS 层。
      3. 将打印的样品在110°C的烘箱中干燥15分钟。
      4. 将笔互连层压到纹身电极上，PEDOT:PSS矩形部件彼此相对。
      5. 在纹身纸胶片上切一个孔（直径11.3毫米）。将胶片的这个孔与纹身PEDOT:PSS电极的圆形感应部分对齐。将一块聚酰亚胺胶带（参见 材料表）添加到 PEN 互连的自由端。
   2. 纺织和塑料箔电极
      1. 在矩形印刷连接周围贴上一块导电胶带（例如铜带），以获得坚固而稳定的互连。
      2. 将弹簧针连接器插入铜带，然后将弹簧针连接到录音系统。
4. 纹身电极转移
   1. 取下胶水衬垫。将纹身放在皮肤的所需部分。
   2. 弄湿背部支撑纸，使纹身保持在适当的位置。一旦背衬纸浸泡，滑动它以将其取出，只留下由可转移超薄薄膜制成的电极在皮肤上。
   3. 将扁平笔触点插入外部采集单元。见第1.3节。
5. 纺织电极定位
   1. 将电极放在皮肤上。借助织物运动手镯或医用胶带，保持电极与皮肤稳定接触，以确保在运动过程中进行高质量的信号记录。
6. 执行所需的表面电生理记录。记录后，用湿海绵擦拭纹身电极，将其清洗干净。

2. 使用电化学阻抗谱表征电极

1. 身体测量
   1. 确保志愿者舒适地坐着，手臂放在桌子上休息。
      注意:无需清洁皮肤或擦洗。
2. 电极放置
   1. 将一个电极放在皮肤上，并将其连接到EIS的工作电极传感电极（WE-S）。
   2. 将另一个电极与第一个电极相距3厘米，并将其连接到EIS的对电极（CE）。
   3. 将第三个电极放在弯头上，并将其连接到EIS的参比电极（RE）。参见 图2A ，了解三个电极的设置。
      注意:连接到EIS的CE和RE的电极可以是Ag / AgCl电极，也可以由PEDOT:PSS制成，就像本研究中的WE一样。
3. 开始在 EIS 恒电位仪上进行记录。在计数器和工作电极之间施加电流。测量基准电压源和检测对之间的潜在变化。
   注:纹身和纺织电极与采集系统的连接可以用夹子进行，以与恒电位仪电缆形成稳定的电气连接。在每个频率下计算的输出阻抗由两个贡献组成:皮肤阻抗和皮肤电极接触阻抗。

3. 表面电生理记录

注:以下部分描述了每个目标生物信号的电极放置。一旦电极被正确放置并很好地连接到皮肤上，它们就可以连接到便携式采集系统以开始记录。本文的视频内容显示了使用市售Ag / AgCl电极和便携式电子单元进行电生理监测的示例。

1. 对于心电图，采用具有两个或三个（一个用作接地）电极的可穿戴配置。将电极放置在多个身体部位（例如胸部，手腕，肋骨），最小电极间距离为6厘米，以获得可视的信号。
   注意:经典位置需要在左右锁骨上放置两个电极;在这种情况下，接地电极可以放置在左髂嵴上。
2. 对于肌肉电活动记录（EMG），将电极沿目标肌肉放置（例如，在二头肌或小腿上）。将接地电极放在静态位置，如相邻的骨骼。
3. 对于脑电活动记录（EEG），将电极放在头部的多个位置。
   注意:舒适的位置是前额和外耳周围。可能需要一个参比电极，通常在乳突骨的耳朵后面。
4. 对于电生理活性测量（EDA），将两个电极放在左手掌上。当受试者休息或进行体育锻炼时进行记录。
   注意:皮肤阻抗可以测量整个身体表面（例如，肋骨，背部，脚底）;6 cm 的足够电极间距离可确保良好的监测。

结果

本文展示了通过喷墨打印制造舒适的皮肤接触电极以及表征它们并进行电生理学记录的方法。我们报告了PEDOT:PSS喷墨打印直接在不同基材上的制造步骤，例如织物（图1A），PEN（图1B）和纹身纸（图1C，D）以供参考。方案步骤1.2.1中提出的设计。和步骤 1.3.1.5。定义一个 1 cm² 的圆形感应区域，将电极与主要在临...

讨论

本文描述了一种制造可穿戴电极的简单且可扩展的过程，并演示了一种记录电生理生物信号的方法。它使用了三个可穿戴基材的例子，如纹身，纺织品和薄膜。它介绍了如何在这些基板上构建传感器，并在应用之前表征其性能。为了制造电极，我们采用了PEDOT:PSS，这是一种导电聚合物，由于其与绿色加工的相容性具有成本效益，多功能加工性，生物相容性，柔软性和可持续性，因此从金属基导体?...

材料

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