Elettrodi indossabili conformabili: dalla fabbricazione alla valutazione elettrofisiologica

Riepilogo

Due recenti tecnologie – tatuaggio e tessuti – hanno dimostrato risultati promettenti nel rilevamento cutaneo. Qui presentiamo i metodi di fabbricazione e valutazione di elettrodi per tatuaggi e tessuti per il rilevamento elettrofisiologico cutaneo. Queste interfacce elettroniche realizzate in polimeri conduttivi superano gli standard esistenti in termini di comfort e sensibilità.

Abstract

I dispositivi elettronici indossabili stanno diventando attori chiave nel monitoraggio dei segnali corporei prevalentemente alterati durante il monitoraggio dell'attività fisica. Considerando il crescente interesse per la telemedicina e l'assistenza personalizzata guidato dall'ascesa dell'era dell'Internet of Things, i sensori indossabili hanno ampliato il loro campo di applicazione nell'assistenza sanitaria. Per garantire la raccolta di dati clinicamente rilevanti, questi dispositivi devono stabilire interfacce conformabili con il corpo umano per fornire registrazioni di alta qualità del segnale e funzionamento a lungo termine. A tal fine, questo documento presenta un metodo per fabbricare facilmente sensori sottili conformi a base di tatuaggi e tessuti morbidi per la loro applicazione come dispositivi elettronici organici indossabili in un ampio spettro di registrazioni elettrofisiologiche di superficie.

I sensori sono sviluppati attraverso un processo economico e scalabile di pattern di elettrodi cutanei utilizzando poli(3,4-etilendiossitiofene)-poli(stirenesolfonato) (PEDOT:PSS), il polimero conduttivo più popolare nella bioelettronica, su substrati indossabili pronti all'uso. Questo documento presenta i passaggi chiave nella caratterizzazione degli elettrodi attraverso la spettroscopia di impedenza per studiare le loro prestazioni nella trasduzione del segnale quando accoppiati con la pelle. Sono necessari studi comparativi per posizionare le prestazioni dei nuovi sensori rispetto al gold standard clinico. Per convalidare le prestazioni dei sensori fabbricati, questo protocollo mostra come eseguire varie registrazioni di biosegnali da diverse configurazioni attraverso una configurazione elettronica user-friendly e portatile in un ambiente di laboratorio. Questo documento sui metodi consentirà molteplici iniziative sperimentali per far progredire l'attuale stato dell'arte nei sensori indossabili per il monitoraggio della salute del corpo umano.

Introduzione

La registrazione biopotenziale non invasiva viene eseguita attraverso elettrodi a contatto con la pelle, fornendo una grande quantità di dati sullo stato fisiologico del corpo umano in fitness e assistenza sanitaria¹. Nuovi tipi di dispositivi di biomonitoraggio indossabili sono stati sviluppati dagli ultimi progressi tecnologici nell'elettronica attraverso il downscaling di componenti di controllo e comunicazione integrati a dimensioni portatili. I dispositivi di monitoraggio intelligenti pervadono quotidianamente il mercato, offrendo molteplici funzionalità di monitoraggio con l'obiettivo finale di fornire contenuti fisiologici sufficienti pe....

Protocollo

NOTA: Gli esperimenti che coinvolgono soggetti umani non hanno comportato la raccolta di informazioni private identificabili relative allo stato di salute dell'individuo e sono utilizzati qui solo per dimostrazioni tecnologiche. I dati sono stati calcolati in media su tre soggetti diversi. Le registrazioni elettrofisiologiche sono state estratte dai dati precedentemente pubblicati ^6,21.

1. Fabbricazione di elettrodi PEDOT: PSS stampati a getto d'inchiostro

NOTA: Il seguente protocollo è stato utilizzato per fabbricare elettrodi per elettrof....

Risultati

Questo documento mostra la fabbricazione di comodi elettrodi a contatto con la pelle mediante stampa a getto d'inchiostro e un metodo per caratterizzarli ed eseguire registrazioni elettrofisiologiche. Abbiamo riportato le fasi di fabbricazione della stampa a getto d'inchiostro PEDOT: PSS direttamente su diversi substrati, come tessuto (Figura 1A), PEN (Figura 1B) e carta per tatuaggi (Figura 1C, D) come riferimento........

Discussione

Questo documento descrive un processo semplice e scalabile per fabbricare elettrodi indossabili e dimostra un metodo per registrare i biosegnali elettrofisiologici. Utilizza tre esempi di substrati indossabili, come tatuaggi, tessuti e film sottili. Introduce come costruire un sensore su questi substrati e caratterizzarne le prestazioni prima della sua applicazione. Per realizzare gli elettrodi qui, abbiamo utilizzato PEDOT: PSS, un polimero conduttivo che si distingue dai conduttori a base di metallo per la sua economic.......

Materiali

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