Electrodos portátiles conformables: de la fabricación a la evaluación electrofisiológica

Resumen

Dos tecnologías recientes, el tatuaje y los textiles, han demostrado resultados prometedores en la detección cutánea. Aquí, presentamos los métodos de fabricación y evaluación de electrodos de tatuajes y textiles para la detección electrofisiológica cutánea. Estas interfaces electrónicas hechas de polímeros conductores superan los estándares existentes en términos de comodidad y sensibilidad.

Resumen

Los dispositivos electrónicos portátiles se están convirtiendo en actores clave en el monitoreo de las señales corporales predominantemente alteradas durante el seguimiento de la actividad física. Teniendo en cuenta el creciente interés en la telemedicina y la atención personalizada impulsado por el auge de la era del Internet de las cosas, los sensores portátiles han ampliado su campo de aplicación en la atención médica. Para garantizar la recopilación de datos clínicamente relevantes, estos dispositivos deben establecer interfaces conformes con el cuerpo humano para proporcionar grabaciones de alta calidad de señal y operación a largo plazo. Con este fin, este documento presenta un método para fabricar fácilmente sensores conformables basados en tatuajes delgados y textiles blandos para su aplicación como dispositivos electrónicos orgánicos portátiles en un amplio espectro de registros electrofisiológicos de superficie.

Los sensores se desarrollan a través de un proceso rentable y escalable de modelado de electrodos cutáneos utilizando poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato) (PEDOT: PSS), el polímero conductor más popular en bioelectrónica, en sustratos portátiles listos para usar. Este artículo presenta pasos clave en la caracterización de electrodos a través de la espectroscopia de impedancia para investigar su rendimiento en la transducción de señales cuando se combina con la piel. Se requieren estudios comparativos para posicionar el rendimiento de los nuevos sensores con respecto al estándar de oro clínico. Para validar el rendimiento de los sensores fabricados, este protocolo muestra cómo realizar varias grabaciones de bioseñales desde diferentes configuraciones a través de una configuración electrónica portátil y fácil de usar en un entorno de laboratorio. Este documento de métodos permitirá múltiples iniciativas experimentales para avanzar en el estado actual del arte en sensores portátiles para el monitoreo de la salud del cuerpo humano.

Introducción

El registro biopotencial no invasivo se realiza a través de electrodos de contacto con la piel, proporcionando una gran cantidad de datos sobre el estado fisiológico del cuerpo humano en la aptitud física y la atención médica¹. Se han desarrollado nuevos tipos de dispositivos de biomonitoreo portátiles a partir de los últimos avances tecnológicos en electrónica a través de la reducción de escala de componentes integrados de control y comunicación a dimensiones portátiles. Los dispositivos de monitoreo inteligente impregnan el mercado diariamente, ofreciendo múltiples capacidades de monitoreo con el objetivo final de proporcionar suficiente contenido fisiológico para permitir el diagnóstico médico². Por lo tanto, las interfaces seguras, confiables y robustas con el cuerpo humano presentan desafíos críticos en el desarrollo de tecnologías portátiles legítimas para la atención médica. Los electrodos para tatuajes y textiles han aparecido recientemente como interfaces confiables y estables percibidas como dispositivos innovadores y cómodos para la biodetección portátil ^3,4,5.

Los sensores de tatuaje son interfaces secas y delgadas que, debido a su bajo grosor (~ 1 μm), aseguran un contacto con la piel conformable y sin adhesivos. Se basan en un kit de papel para tatuajes disponible comercialmente compuesto por una estructura en capas, que permite la liberación de una capa polimérica ultrafina en la piel⁶. La estructura en capas también permite un fácil manejo de la capa polimérica delgada durante el proceso de fabricación del sensor y su transferencia a la piel. El electrodo final es totalmente conformable y casi imperceptible para el usuario. Los sensores textiles son dispositivos electrónicos obtenidos de la funcionalización de tejidos con materiales electroactivos⁷. Se integran principalmente o simplemente se cosen en la ropa para garantizar la comodidad del usuario debido a su suavidad, transpirabilidad y evidente afinidad con las prendas. Durante casi una década, los electrodos textiles y de tatuajes se han evaluado en registros electrofisiológicos de superficie ^3,8,9, mostrando buenos resultados tanto en registros de usabilidad como de calidad de señal e informando una alta relación señal-ruido (SNR) en evaluaciones a corto y largo plazo. También se conciben como una plataforma potencial para el análisis bioquímico del sudor portátil ^1,10.

El creciente interés en las tecnologías de tatuajes, textiles y, en general, de película delgada flexible (por ejemplo, las hechas de láminas de plástico como el parileno o diferentes elastómeros) se promueve principalmente por la compatibilidad con métodos de fabricación escalables y de bajo costo. La serigrafía, la impresión de inyección de tinta, el modelado directo, el recubrimiento por inmersión y la transferencia de sellos se han adoptado con éxito para producir este tipo de interfaces electrónicas¹¹. Entre estos, la impresión de inyección de tinta es la técnica de prototipado digital y rápida más avanzada. Se aplica principalmente al modelado de tintas conductoras sin contacto, de manera aditiva en condiciones ambientales y en una gran variedad de sustratos¹². Aunque se han fabricado múltiples sensores portátiles a través de patrones de tinta de metal noble¹³, las películas de metal son frágiles y se agrietan cuando se estresan mecánicamente. Diferentes grupos de investigación han adoptado diferentes estrategias para dotar a los metales de la propiedad de compatibilidad mecánica con la piel. Estas estrategias incluyen la reducción del grosor de la película y el uso de diseños serpentinos o sustratos arrugados y pretirmados 14,15,16. Los materiales conductores blandos e intrínsecamente flexibles, como los polímeros conductores, encontraron su aplicación en dispositivos bioelectrónicos flexibles. Su flexibilidad polimérica se combina con conductividad eléctrica e iónica. PEDOT:PSS es el polímero conductor más utilizado en bioelectrónica. Se caracteriza por su suavidad, biocompatibilidad, sostenibilidad y procesabilidad de impresión¹⁷, que lo hacen compatible con la producción generalizada de dispositivos biomédicos.

Los dispositivos, como los electrodos planos conectados a un sistema de adquisición, permiten el registro de biopotenciales en el monitoreo de la salud. Los biopotenciales del cuerpo humano son señales eléctricas generadas por células electrogénicas que se propagan a través del cuerpo hasta la superficie de la piel. De acuerdo con el lugar donde se colocan los electrodos, es posible adquirir datos relacionados con la actividad eléctrica del cerebro (EEG), los músculos (EMG), el corazón (ECG) y la conductividad de la piel (por ejemplo, bioimpedancia o actividad electrodérmica, EDA). A continuación, se evalúa la calidad de los datos para evaluar la usabilidad de los electrodos en aplicaciones clínicas. Un SNR alto define su rendimiento¹⁸, que generalmente se compara con las grabaciones de electrodos Ag / AgCl de última generación. Aunque los electrodos Ag /AgCl también tienen un SNR alto, carecen de operatividad a largo plazo y capacidad de desgaste conforme. Las grabaciones de bioseñales de alta calidad proporcionan información sobre el estado de salud humana relacionado con la función de un órgano en particular. Por lo tanto, estos beneficios de las cómodas interfaces de tatuaje o textiles indican su promesa para aplicaciones a largo plazo que pueden permitir el monitoreo de la salud móvil en la vida real y allanar el camino para el desarrollo de la telemedicina¹⁹.

Este artículo informa cómo fabricar y evaluar electrodos de tatuajes y textiles en el biomonitoreo de la salud. Después de su fabricación, se debe caracterizar un electrodo novedoso. Por lo general, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se adopta para estudiar el rendimiento eléctrico del electrodo con respecto a una interfaz objetivo (por ejemplo, la piel) en términos de la función de transferencia. EIS se utiliza para comparar las características de impedancia de múltiples electrodos y realizar pruebas en diferentes condiciones (por ejemplo, variando el diseño del electrodo o estudiando respuestas a largo plazo). Este documento muestra el registro de bioseñales de superficie a través de una configuración fácil e informa de un método fácil de usar para registrar diferentes tipos de bioseñales aplicables a cualquier electrodo fabricado novedoso que necesite ser validado para registros biopotenciales cutáneos.

Protocolo

NOTA: Los experimentos con sujetos humanos no involucraron la recopilación de información privada identificable relacionada con el estado de salud del individuo y solo se utilizan aquí para demostraciones tecnológicas. Los datos se promediaron en tres sujetos diferentes. Los registros electrofisiológicos fueron extraídos de datos previamente publicados ^6,21.

1. Fabricación de electrodos PEDOT: PSS impresa por inyección de tinta

NOTA: El siguiente protocolo se ha utilizado para fabricar electrodos para electrofisiología en sustratos comerciales flexibles: papel^{de tatuaje 6} y textil²¹. El mismo enfoque se ha adoptado en gran medida para fabricar electrodos en sustratos flexibles como láminas de plástico delgadas²². En todos los casos, se utilizó una impresora de inyección de tinta para el modelado de PEDOT:PSS (ver la Tabla de Materiales).

1. Preprocesamiento de sustrato de electrodos
   1. Cortar un trozo del sustrato de interés.
      1. Cuando use un sustrato para tatuajes, lávelo con agua antes de imprimir para eliminar la capa más alta soluble en agua del papel²³.
         NOTA: El kit de papel para tatuajes también está provisto de una hoja de pegamento utilizada en este trabajo, tanto para mejorar la adhesión del tatuaje como como una capa de pasivación. El papel para tatuajes tiene una estructura en capas (Figura suplementaria S1), que incluye una hoja de papel de soporte, una capa de polivinilalcohol (PVA) soluble en agua, una película de poliuretano liberable y una capa de PVA superior. La hoja de pegamento tiene una estructura en capas compuesta de papel de silicona como soporte, pegamento acrílico a base de agua y un revestimiento de liberación superior.
   2. Para fabricar sensores portátiles, comience a cortar el sustrato de interés. Coloque el sustrato en la placa de la impresora, pegando su borde para mantenerlo plano.
2. Impresión de tinta PEDOT:PSS
   1. Preparar el diseño para imprimir, como un círculo (12 mm de diámetro) con una almohadilla rectangular en la parte inferior (3 mm x 7 mm), esta última para ser utilizada para la interconexión.
   2. Llene los cartuchos de la impresora (10 pl) con la tinta comercial PEDOT:PSS después de filtrarla. Esta es una dispersión acuosa del polímero conductor.
   3. Imprima el diseño en el sustrato.
      1. Cuando use papel para tatuajes y textiles, que tienen una energía superficial moderada-alta y propiedades de absorción, respectivamente, imprima con un espaciado de gotas de ~ 20 μm.
      2. Imprima múltiples capas PEDOT:PSS, ya sea consecutivamente o aplicando un proceso de secado (110 °C durante 15 min) entre las capas para crear un patrón conductor homogéneo y continuo.
         NOTA: Esto es especialmente necesario en el caso de los electrodos textiles, donde la estructura similar a 3D de los textiles requiere más contenido de tinta para crear una ruta conductora continua dentro de la tela.
   4. Seque el electrodo a 110 °C durante 15 min en el horno para completar la evaporación del disolvente.
      NOTA: Los electrodos obtenidos en papel textil, PET y tatuaje (Figura 1A-C) mediante la impresión de múltiples dispositivos en una sola tirada (Figura 1D) ahora se pueden almacenar en un entorno cerrado, limpio y seco antes de continuar con los siguientes pasos.
3. Fabricación de conectores externos
   1. Electrodos para tatuajes
      1. Cortar una pieza rectangular de sustrato de naftalato de polietileno (PEN) (8 mm x 12 mm, 1,3 mm de espesor).
      2. Imprima un diseño rectangular (3 mm x 12 mm) con tres capas PEDOT:PSS en la parte superior del sustrato.
      3. Secar la muestra impresa en el horno a 110 °C durante 15 min.
      4. Laminar la interconexión PEN en el electrodo del tatuaje, con las partes rectangulares PEDOT:PSS una frente a la otra.
      5. Corte un agujero (diámetro 11,3 mm) en la hoja de pegamento de papel para tatuajes. Alinee este orificio de la lámina de pegamento con la parte de detección circular del electrodo PEDOT: PSS del tatuaje. Agregue un trozo de cinta de poliimida (consulte la Tabla de materiales) en el extremo libre de la interconexión PEN.
   2. Electrodos de lámina textil y plástica
      1. Coloque un trozo de cinta conductora (por ejemplo, cinta de cobre) alrededor de la conexión impresa rectangular para obtener una interconexión robusta y estable.
      2. Conecte un conector de pin pogo en la cinta de cobre y conecte el pin pogo al sistema de grabación.
4. Transferencia de electrodos de tatuaje
   1. Retire el forro de pegamento. Coloque el tatuaje en la parte deseada de la piel.
   2. Moje el papel de soporte de la espalda, manteniendo el tatuaje en su posición. Una vez que el papel de soporte posterior esté empapado, deslícelo para retirarlo, dejando solo el electrodo hecho de la película ultrafina transferible en la piel.
   3. Conecte el contacto PEN plano a la unidad de adquisición externa. Ver sección 1.3.
5. Posicionamiento de electrodos textiles
   1. Coloque el electrodo sobre la piel. Con la ayuda de un brazalete deportivo de tela o cinta médica, mantenga el electrodo en contacto estable con la piel para garantizar grabaciones de señal de alta calidad durante el movimiento.
6. Realizar el registro electrofisiológico superficial deseado. Lave los electrodos del tatuaje después de las grabaciones frotándolos con una esponja húmeda.

2. Caracterización de electrodos mediante espectroscopia de impedancia electroquímica

1. Medición en el cuerpo
   1. Asegúrese de que el voluntario esté cómodamente sentado con un brazo colocado sobre una mesa en reposo.
      NOTA: No se necesita limpieza o lavado de la piel.
2. Colocación de electrodos
   1. Coloque un electrodo en la piel y conéctelo al electrodo de detección de electrodos de trabajo (WE-S) del EIS.
   2. Coloque otro electrodo a 3 cm de distancia del primero y conéctelo al contraelectrodo (CE) del EIS.
   3. Coloque el tercer electrodo en el codo y conéctelo al electrodo de referencia (RE) del EIS. Consulte la Figura 2A para la configuración de los tres electrodos.
      NOTA: Los electrodos conectados al CE y RE del EIS pueden ser tanto electrodos Ag/AgCl como de PEDOT:PSS, como es el caso del WE en este estudio.
3. Inicie la grabación en el potenciostato EIS. Aplique una corriente entre el contador y los electrodos de trabajo. Mida la variación potencial a través de la pareja de referencia y detección.
   NOTA: La conexión del tatuaje y el electrodo textil con el sistema de adquisición se puede hacer con un clip para formar una conexión eléctrica estable con los cables del potenciostato. La impedancia de salida calculada a cada frecuencia consta de dos contribuciones: impedancia cutánea e impedancia de contacto piel-electrodo.

3. Registros electrofisiológicos superficiales

NOTA: La siguiente sección describe la colocación del electrodo para cada bioseñal de interés. Una vez que los electrodos están correctamente colocados y bien unidos a la piel, se pueden conectar al sistema de adquisición portátil para iniciar las grabaciones. El contenido del video de este artículo muestra un ejemplo de monitoreo electrofisiológico utilizando electrodos Ag / AgCl disponibles comercialmente y una unidad electrónica portátil.

1. Para el ECG, adopte una configuración portátil con dos o tres (uno utilizado como tierra) electrodos. Coloque los electrodos en múltiples áreas del cuerpo (por ejemplo, pecho, muñecas, costillas) con una distancia mínima entre electrodos de 6 cm para obtener una señal apreciable.
   NOTA: Una ubicación clásica implica la colocación de dos electrodos en las clavículas izquierda y derecha; en este caso, el electrodo de tierra se puede colocar en la cresta ilíaca izquierda.
2. Para el registro de la actividad eléctrica muscular (EMG), coloque los electrodos a lo largo del músculo de interés (por ejemplo, en el bíceps o la pantorrilla). Coloque el electrodo de tierra en una ubicación estática, como un hueso adyacente.
3. Para el registro de la actividad eléctrica cerebral (EEG), coloque los electrodos en múltiples ubicaciones en la cabeza.
   NOTA: Los lugares cómodos son la frente y alrededor de las orejas externas. Se puede requerir un electrodo de referencia, generalmente detrás de la oreja en el hueso mastoideo.
4. Para mediciones de actividad electrodérmica (EDA), coloque dos electrodos en la palma de la mano izquierda. Realizar la grabación cuando el sujeto esté en reposo o haciendo ejercicio físico.
   NOTA: La impedancia de la piel se puede medir en toda la superficie del cuerpo (por ejemplo, las costillas, en la espalda, en la planta del pie); una distancia interelectrodada suficiente de 6 cm garantiza una buena monitorización.

Resultados

Este artículo muestra la fabricación de electrodos cómodos de contacto con la piel mediante impresión de inyección de tinta y un método para caracterizarlos y realizar registros de electrofisiología. Informamos los pasos de fabricación de la impresión de inyección de tinta PEDOT: PSS directamente en diferentes sustratos, como tela (Figura 1A), PEN (Figura 1B) y papel de tatuaje (Figura 1C, D) como referenc...

Discusión

Este artículo describe un proceso fácil y escalable para fabricar electrodos portátiles y demuestra un método para registrar bioseñales electrofisiológicas. Utiliza tres ejemplos de sustratos portátiles, como tatuajes, textiles y películas delgadas. Introduce cómo construir un sensor sobre estos sustratos y caracterizar su rendimiento antes de su aplicación. Para fabricar los electrodos aquí, empleamos PEDOT: PSS, un polímero conductor que se destaca de los conductores a base de metal debido a su rentabilidad...

Materiales

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