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

Résumé

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.

Résumé

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.

Protocole

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. Fabrication d’électrodes PEDOT:PSS imprimées à jet d’encre

REMARQUE: Le protocole suivant a été utilisé pour fabriquer des électrodes pour l’électrophysiologie sur des substrats commerciaux et flexibles - papier de tatouage⁶ et textile²¹. La même approche a été largement adoptée pour fabriquer des électrodes sur des substrats flexibles tels que des feuilles de plastique minces²². Dans tous les cas, une imprimante à jet d’encre a été utilisée pour le modelage de PEDOT:PSS (voir la table des matériaux).

1. Prétraitement du substrat d’électrode
   1. Coupez un morceau du substrat d’intérêt.
      1. Lorsque vous utilisez un substrat de tatouage, lavez-le à l’eau avant l’impression pour enlever la couche supérieure soluble dans l’eau du papier²³.
         REMARQUE: Le kit de papier de tatouage est également fourni avec une feuille de colle utilisée dans ce travail, à la fois pour améliorer l’adhérence du tatouage et comme couche de passivation. Le papier de tatouage a une structure en couches (figure supplémentaire S1), y compris une feuille de papier de support, une couche de polyvinylalcool soluble dans l’eau (PVA), un film de polyuréthane libérable et une couche de PVA la plus haute. La feuille de colle a une structure en couches composée de papier silicone comme support, de colle acrylique à base d’eau et d’une doublure de libération supérieure.
   2. Pour fabriquer des capteurs portables, commencez à couper le substrat d’intérêt. Placez le substrat sur la plaque de l’imprimante, en scotchant sa bordure pour la garder à plat.
2. Impression d’encre PEDOT:PSS
   1. Préparez le dessin à imprimer, tel qu’un cercle (12 mm de diamètre) avec un tampon rectangulaire en bas (3 mm x 7 mm), ce dernier à utiliser pour l’interconnexion.
   2. Remplissez les cartouches d’imprimante (10 pl) avec l’encre commerciale PEDOT:PSS après l’avoir filtrée. Il s’agit d’une dispersion aqueuse du polymère conducteur.
   3. Imprimez le dessin sur le substrat.
      1. Lorsque vous utilisez du papier de tatouage et du textile, qui ont respectivement une énergie de surface modérée à élevée et des propriétés absorbantes, imprimez avec un espacement des gouttes d’environ 20 μm.
      2. Imprimez plusieurs couches PEDOT:PSS, soit consécutivement, soit en appliquant un processus de séchage (110 °C pendant 15 min) entre les couches pour créer un motif conducteur homogène et continu.
         REMARQUE: Ceci est particulièrement nécessaire dans le cas des électrodes textiles, où la structure 3D des textiles nécessite plus de contenu d’encre pour créer un chemin conducteur continu dans le tissu.
   4. Sécher l’électrode à 110 °C pendant 15 min au four pour compléter l’évaporation du solvant.
      REMARQUE : Les électrodes obtenues sur du papier textile, PET et tatoueur (Figure 1A-C) en imprimant plusieurs appareils en une seule fois (Figure 1D) peuvent maintenant être stockées dans un environnement fermé, propre et sec avant de passer aux étapes suivantes.
3. Fabrication de connecteurs externes
   1. Électrodes de tatouage
      1. Couper un morceau rectangulaire de substrat en polyéthylène naphtalate (PEN) (8 mm x 12 mm, 1,3 mm d’épaisseur).
      2. Imprimez un dessin rectangulaire (3 mm x 12 mm) avec trois couches PEDOT:PSS sur le dessus du substrat.
      3. Sécher l’échantillon imprimé au four à 110 °C pendant 15 min.
      4. Laminez l’interconnexion PEN sur l’électrode de tatouage, avec les parties rectangulaires PEDOT:PSS se faisant face.
      5. Coupez un trou (diamètre 11,3 mm) dans la feuille de colle de papier à tatouer. Alignez ce trou de la feuille de colle avec la partie de détection circulaire de l’électrode pedot:PSS de tatouage. Ajoutez un morceau de ruban de polyimide (voir la table des matériaux) à l’extrémité libre de l’interconnexion PEN.
   2. Électrodes en textile et en feuille de plastique
      1. Fixez un morceau de ruban conducteur (p. ex. ruban de cuivre) autour de la connexion rectangulaire imprimée pour obtenir une interconnexion robuste et stable.
      2. Branchez un connecteur à broche pogo dans la bande de cuivre et connectez la broche pogo au système d’enregistrement.
4. Transfert d’électrode de tatouage
   1. Retirez la doublure de colle. Placez le tatouage sur la partie souhaitée de la peau.
   2. Mouillez le papier de support arrière, en gardant le tatouage en position. Une fois que le papier de support arrière est trempé, faites-le glisser pour le retirer, en ne laissant que l’électrode faite du film ultramince transférable sur la peau.
   3. Branchez le contact PEN plat dans l’unité d’acquisition externe. Voir la section 1.3.
5. Positionnement des électrodes textiles
   1. Placez l’électrode sur la peau. À l’aide d’un bracelet de sport en tissu ou d’un ruban médical, maintenez l’électrode en contact stable avec la peau pour assurer des enregistrements de signaux de haute qualité pendant le mouvement.
6. Effectuer l’enregistrement électrophysiologique de surface souhaité. Lavez les électrodes de tatouage après les enregistrements en les frottant avec une éponge humide.

2. Caractérisation des électrodes par spectroscopie d’impédance électrochimique

1. Mesure sur le corps
   1. Assurez-vous que le bénévole est confortablement assis avec un bras placé sur une table au repos.
      REMARQUE: Aucun nettoyage ou frottement de la peau n’est nécessaire.
2. Placement des électrodes
   1. Placez une électrode sur la peau et connectez-la à l’électrode de détection d’électrode de travail (WE-S) de l’EIS.
   2. Placez une autre électrode à 3 cm de la première et connectez-la à la contre-électrode (CE) de l’EIS.
   3. Placez la troisième électrode sur le coude et connectez-la à l’électrode de référence (RE) de l’EIS. Voir la Figure 2A pour la configuration des trois électrodes.
      REMARQUE: Les électrodes connectées au CE et au RE de l’EIS peuvent être à la fois des électrodes Ag / AgCl ou en PEDOT: PSS, comme c’est le cas pour le WE dans cette étude.
3. Démarrez l’enregistrement sur le potentiostat EIS. Appliquez un courant entre le compteur et les électrodes de travail. Mesurez la variation potentielle entre le couple de référence et de détection.
   REMARQUE: La connexion de l’électrode de tatouage et de textile avec le système d’acquisition peut être effectuée avec un clip pour former une connexion électrique stable avec les câbles potentiostat. L’impédance de sortie calculée à chaque fréquence se compose de deux contributions : l’impédance cutanée et l’impédance de contact peau-électrode.

3. Enregistrements électrophysiologiques de surface

REMARQUE: La section suivante décrit le placement de l’électrode pour chaque biosignal d’intérêt. Une fois que les électrodes sont correctement placées et bien attachées à la peau, elles peuvent être connectées au système d’acquisition portable pour démarrer les enregistrements. Le contenu vidéo de cet article montre un exemple de surveillance électrophysiologique à l’aide d’électrodes Ag/AgCl disponibles dans le commerce et d’une unité électronique portable.

1. Pour l’ECG, adoptez une configuration portable avec deux ou trois électrodes (dont une utilisée comme électrode de terre). Placez les électrodes dans plusieurs zones du corps (par exemple, poitrine, poignets, côtes) avec une distance interélectronde minimale de 6 cm pour obtenir un signal appréciable.
   REMARQUE: Un emplacement classique implique le placement de deux électrodes sur les clavicules gauche et droite; dans ce cas, l’électrode de terre peut être placée sur la crête iliaque gauche.
2. Pour l’enregistrement de l’activité électrique musculaire (EMG), placez les électrodes le long du muscle d’intérêt (par exemple, sur le biceps ou le mollet). Placez l’électrode de terre sur un emplacement statique tel qu’un os adjacent.
3. Pour l’enregistrement de l’activité électrique cérébrale (EEG), placez les électrodes à plusieurs endroits sur la tête.
   REMARQUE: Les endroits confortables sont le front et autour des oreilles externes. Une électrode de référence peut être nécessaire, généralement derrière l’oreille sur l’os mastoïdien.
4. Pour les mesures d’activité électrodermique (EDA), placez deux électrodes sur la paume de la main gauche. Effectuez l’enregistrement lorsque le sujet est au repos ou fait de l’exercice physique.
   REMARQUE: L’impédance cutanée peut être mesurée sur toute la surface du corps (par exemple, les côtes, sur le dos, sur la semelle du pied); une distance interélectrode suffisante de 6 cm assure une bonne surveillance.

Résultats

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 ...

matériels

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