Eletrodos vestíveis conformáveis: da fabricação à avaliação eletrofisiológica

Resumo

Duas tecnologias recentes- tatuagem e têxteis - demonstraram resultados promissores em sensoriamento cutâneo. Aqui, apresentamos os métodos de fabricação e avaliação de tatuagens e eletrodos têxteis para sensoriamento eletrofisiológico cutâneo. Essas interfaces eletrônicas feitas de polímeros condutores superam os padrões existentes em termos de conforto e sensibilidade.

Resumo

Dispositivos eletrônicos vestíveis estão se tornando atores-chave no monitoramento dos sinais corporais predominantemente alterados durante o rastreamento de atividade física. Considerando o crescente interesse pela telemedicina e pelo atendimento personalizado impulsionado pelo surgimento da era da Internet das Coisas, os sensores vestíveis expandiram seu campo de aplicação em saúde. Para garantir a coleta de dados clinicamente relevantes, esses dispositivos precisam estabelecer interfaces conformáveis com o corpo humano para fornecer gravações de alta qualidade de sinal e operação a longo prazo. Para isso, este artigo apresenta um método para fabricar facilmente sensores de tatuagem fina e macios para sua aplicação como dispositivos eletrônicos orgânicos vestíveis em um amplo espectro de gravações eletrofisiológicas superficiais.

Os sensores são desenvolvidos através de um processo econômico e escalável de padronização cutânea de eletrodos usando poli (3,4-etilenodioxithiophene)-poly (etilrenesulfonate) (PEDOT:PSS), o polímero condutor mais popular em bioeletrônica, em substratos vestíveis fora da prateleira. Este artigo apresenta passos-chave na caracterização do eletrodo através da espectroscopia de impedância para investigar seu desempenho na transdução de sinal quando acoplado à pele. Estudos comparativos são necessários para posicionar o desempenho de novos sensores em relação ao padrão-ouro clínico. Para validar o desempenho dos sensores fabricados, este protocolo mostra como realizar várias gravações biossignais de diferentes configurações através de uma configuração eletrônica fácil de usar e portátil em um ambiente de laboratório. Este artigo de métodos permitirá que múltiplas iniciativas experimentais avancem o estado atual da arte em sensores vestíveis para monitoramento da saúde do corpo humano.

Introdução

A gravação biopotencial não invasiva é realizada através de eletrodos de contato com a pele, fornecendo uma grande quantidade de dados sobre o estado fisiológico do corpo humano em aptidão e saúde¹. Novos tipos de dispositivos de biomonitoramento vestíveis foram desenvolvidos a partir dos mais recentes avanços tecnológicos em eletrônica até o downscaling de componentes integrados de controle e comunicação para dimensões portáteis. Dispositivos de monitoramento inteligentes permeiam o mercado diariamente, oferecendo múltiplos recursos de monitoramento com o objetivo final de fornecer conteúdo fisiológico suficiente para permitir diagnósticos médicos². Portanto, interfaces seguras, confiáveis e robustas com o corpo humano apresentam desafios críticos no desenvolvimento de tecnologias vestíveis legítimas para a saúde. Tatuagens e eletrodos têxteis apareceram recentemente como interfaces confiáveis e estáveis percebidas como dispositivos inovadores e confortáveis para biosensão vestível ^3,4,5.

Os sensores de tatuagem são interfaces secas e finas que, devido à sua baixa espessura (~1 μm), garantem o contato com a pele sem adesivos e conformáveis. Eles são baseados em um kit de papel tatuado comercialmente disponível composto por uma estrutura em camadas, que permite a liberação de uma camada polimérica ultrathina na pele⁶. A estrutura em camadas também permite facilitar o manuseio da fina camada polimérica durante o processo de fabricação do sensor e sua transferência para a pele. O eletrodo final é totalmente conformável e quase imperceptível ao usuário. Sensores têxteis são dispositivos eletrônicos obtidos a partir da funcionalização de tecidos com materiais^{eletroativos 7}. Eles são principalmente integrados ou simplesmente costurados em roupas para garantir o conforto do usuário devido à sua maciez, respirabilidade e afinidade evidente com as roupas. Por quase uma década, eletrodos têxteis e tatuados têm sido avaliados em gravações eletrofisiológicas superficiais ^3,8,9, mostrando bons resultados tanto em gravações de wearability quanto em qualidade de sinal e relatando alta relação sinal-ruído (SNR) em avaliações de curto e longo prazo. Eles também são concebidos como uma plataforma potencial para análise bioquímica do suor vestível ^1,10.

O crescente interesse por tatuagem, têxtil e, em geral, tecnologias flexíveis de filmes finos (por exemplo, aquelas feitas de folhas plásticas como parileno ou diferentes elastômeros) é promovida principalmente pela compatibilidade com métodos de fabricação de baixo custo e escaláveis. A impressão de tela, impressão de jato de tinta, padronização direta, revestimento de mergulho e transferência de selos foram adotados com sucesso para produzir tais tipos de interfaces eletrônicas¹¹. Entre elas, a impressão a jato de tinta é a técnica de prototipagem digital e rápida mais avançada. É aplicado principalmente à padronização de tintas condutivas de forma não contato, aditiva em condições ambientais e em uma grande variedade de substratos¹². Embora vários sensores vestíveis tenham sido fabricados através da padronização de tinta metálica nobre¹³, os filmes de metal são frágeis e sofrem rachaduras quando mecanicamente estressados. Diferentes grupos de pesquisa adotaram diferentes estratégias para doar metais com a propriedade da compatibilidade mecânica com a pele. Essas estratégias incluem reduzir a espessura do filme e usar desenhos serpentinas ou substratos enrugados e pré-estendidos 14,15,16. Materiais condutores macios e intrinsecamente flexíveis, como polímeros condutores, encontraram sua aplicação em dispositivos bioeletrônicos flexíveis. Sua flexibilidade polimérica é combinada com condutividade elétrica e iônica. PEDOT:PSS é o polímero condutor mais usado em bioeletrônica. Caracteriza-se pela maciez, biocompatibilidade, sustentabilidade e processabilidade^{de impressão 17}, que a tornam compatível com a produção generalizada de dispositivos biomédicos.

Dispositivos, como eletrodos planares conectados a um sistema de aquisição, permitem o registro de biopotenciais no monitoramento da saúde. Os biopotenciais do corpo humano são sinais elétricos gerados por células eletrogênicas que se propagam através do corpo até a superfície da pele. De acordo com onde os eletrodos são colocados, é possível adquirir dados relacionados à atividade elétrica do cérebro (EEG), músculos (EMG), coração (ECG) e condutividade da pele (por exemplo, bioimpedância ou atividade eletrodérmica, EDA). A qualidade dos dados é então avaliada para avaliar a usabilidade dos eletrodos em aplicações clínicas. Um SNR alto define seu desempenho¹⁸, que é tipicamente comparado com gravações de eletrodos Ag/AgCl de última geração. Embora os eletrodos Ag/AgCl também tenham SNR elevado, eles não possuem operacionalidade de longo prazo e wearability conformável. Gravações bioassinais de alta qualidade fornecem insights sobre o estado de saúde humana relacionados à função de um determinado órgão. Assim, esses benefícios de tatuagem confortável ou interfaces têxteis indicam sua promessa de aplicações de longo prazo que possam permitir o monitoramento da saúde móvel na vida real e abrir caminho para o desenvolvimento da telemedicina¹⁹.

Este artigo relata como fabricar e avaliar tatuagens e eletrodos têxteis no biomonitoramento da saúde. Após sua fabricação, um novo eletrodo deve ser caracterizado. Normalmente, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) é adotada para estudar o desempenho elétrico do eletrodo em relação a uma interface de destino (por exemplo, pele) em termos da função de transferência. O EIS é usado para comparar as características de impedância de múltiplos eletrodos e realizar testes em diferentes condições (por exemplo, variando o design do eletrodo ou estudando respostas a longo prazo). Este artigo mostra a gravação de bioassinaturas superficiais através de uma configuração fácil e relata um método fácil de usar para gravar diferentes tipos de biossignals aplicáveis a qualquer novo eletrodo fabricado que precisa ser validado para gravações biopotenciais cutâneas.

Protocolo

NOTA: Os experimentos envolvendo indivíduos humanos não envolveram a coleta de informações privadas identificáveis relacionadas ao estado de saúde do indivíduo e são utilizados apenas aqui para demonstração tecnológica. Os dados foram mediados em três indivíduos diferentes. Os registros eletrofisiológicos foram extraídos dos dados publicados anteriormente ^6,21.

1. Fabricação de eletrodos impressos em jato de tinta PEDOT:PSS

NOTA: O protocolo a seguir tem sido usado para fabricar eletrodos para eletrofisiologia em papel comercial e flexível de tatuagem⁶ e têxtil²¹. A mesma abordagem tem sido amplamente adotada para fazer eletrodos em substratos flexíveis, como folhas plásticas finas²². Em todos os casos, uma impressora a jato de tinta foi utilizada para a padronização de PEDOT:PSS (ver a Tabela de Materiais).

1. Pré-processamento de substrato de eletrodos
   1. Corte um pedaço do substrato de juros.
      1. Ao usar um substrato de tatuagem, lave-o com água antes de imprimir para remover a camada mais alta e solúvel em água do papel²³.
         NOTA: O kit de papel tatuado também é fornecido com uma folha de cola usada neste trabalho, tanto para melhorar a adesão à tatuagem quanto como uma camada de passivação. O papel de tatuagem tem uma estrutura em camadas (Figura Suplementar S1), incluindo uma folha de papel de suporte, uma camada de polivinylalcohol solúvel em água (PVA), um filme de poliuretano liberado e uma camada PVA mais alta. A folha de cola tem uma estrutura em camadas composta de papel de silicone como suporte, cola acrílica à base de água e um forro de liberação superior.
   2. Para fabricar sensores vestíveis, comece a cortar o substrato de interesse. Coloque o substrato na placa da impressora, gravando sua borda para mantê-lo plano.
2. Impressão de tinta PEDOT:PSS
   1. Prepare o desenho para imprimir, como um círculo (12 mm de diâmetro) com uma almofada retangular na parte inferior (3 mm x 7 mm), este último a ser usado para a interconexão.
   2. Encha os cartuchos da impressora (10 pl) com a tinta comercial PEDOT:PSS depois de filtrar. Esta é uma dispersão aquosa do polímero condutor.
   3. Imprima o desenho no substrato.
      1. Ao usar papel tatuado e têxtil, que possuem energia superficial moderada-alta e propriedades absorventes, respectivamente, imprima com um espaçamento de gota de ~20 μm.
      2. Imprima várias camadas PEDOT:PSS, consecutivas ou aplicando um processo de secagem (110 °C por 15 min) entre as camadas para criar um padrão condutivo homogêneo e contínuo.
         NOTA: Isso é especialmente necessário no caso de eletrodos têxteis, onde a estrutura 3D dos têxteis requer mais conteúdo de tinta para criar um caminho condutor contínuo dentro do tecido.
   4. Seque o eletrodo a 110 °C por 15 min no forno para completar a evaporação do solvente.
      NOTA: Os eletrodos obtidos em papel têxtil, PET e tatuador (Figura 1A-C) imprimindo vários dispositivos em uma única corrida (Figura 1D) agora podem ser armazenados em um ambiente fechado, limpo e seco antes de continuar com os próximos passos.
3. Fabricação externa do conector
   1. Eletrodos de tatuagem
      1. Corte um pedaço retangular do substrato de naftalina de polietileno (PEN) (8 mm x 12 mm, 1,3 mm de espessura).
      2. Imprima um design retangular (3 mm x 12 mm) com três camadas PEDOT:PSS em cima do substrato.
      3. Seque a amostra impressa no forno a 110 °C por 15 minutos.
      4. Lamine a interconexão pen no eletrodo da tatuagem, com as partes retangulares PEDOT:PSS voltadas umas para as outras.
      5. Corte um orifício (diâmetro de 11,3 mm) na folha de cola de papel da tatuagem. Alinhe este orifício da folha de cola com a parte de sensoriamento circular do eletrodo PEDOT:PSS da tatuagem. Adicione um pedaço de fita poliimida (veja a tabela de materiais) na extremidade livre da interconexão PEN.
   2. Eletrodos de papel alumínio e têxtil
      1. Conecte um pedaço de fita condutiva (por exemplo, fita de cobre) ao redor da conexão retangular impressa para obter uma interconexão robusta e estável.
      2. Conecte um conector de pino pogo na fita de cobre e conecte o pino pogo ao sistema de gravação.
4. Transferência de eletrodo de tatuagem
   1. Remova o forro de cola. Coloque a tatuagem na parte desejada da pele.
   2. Molhe o papel de apoio traseiro, mantendo a tatuagem em posição. Uma vez que o papel de suporte traseiro esteja encharcado, deslize-o para removê-lo, deixando apenas o eletrodo feito do filme ultrathin transferível na pele.
   3. Conecte o contato PEN plano na unidade de aquisição externa. Veja a seção 1.3.
5. Posicionamento de eletrodos têxteis
   1. Coloque o eletrodo na pele. Com a ajuda de uma pulseira esportiva de tecido ou fita médica, mantenha o eletrodo em contato estável com a pele para garantir gravações de sinal de alta qualidade durante o movimento.
6. Realize a gravação eletrofisiológica da superfície desejada. Lave os eletrodos da tatuagem depois das gravações esfregando-os com uma esponja molhada.

2. Caracterização de eletrodos utilizando espectroscopia de impedância eletroquímica

1. Medição no corpo
   1. Certifique-se de que o voluntário está confortavelmente sentado com um braço colocado sobre uma mesa em repouso.
      NOTA: Não é necessário limpar a pele ou esfregar.
2. Colocação de eletrodos
   1. Coloque um eletrodo na pele e conecte-o ao eletrodo de sensor de eletrodo de trabalho (WE-S) do EIS.
   2. Coloque outro eletrodo 3 cm além do primeiro e conecte-o ao eletrodo do contador (CE) do EIS.
   3. Coloque o terceiro eletrodo no cotovelo e conecte-o ao eletrodo de referência (RE) do EIS. Consulte a Figura 2A para a configuração dos três eletrodos .
      NOTA: Os eletrodos conectados ao CE e RE do EIS podem ser ambos eletrodos Ag/AgCl ou feitos de PEDOT:PSS, como é o caso do WE neste estudo.
3. Inicie a gravação no potencialiostat EIS. Aplique uma corrente entre o contador e os eletrodos de trabalho. Meça a variação potencial entre o casal de referência e sensoriamento.
   NOTA: A conexão da tatuagem e do eletrodo têxtil com o sistema de aquisição pode ser feita com um clipe para formar uma conexão elétrica estável com os cabos de potencialiostat. A impedância de saída computada em cada frequência consiste em duas contribuições: impedância da pele e impedância de contato pele-eletrodo.

3. Gravações eletrofisiológicas de superfície

NOTA: A seguinte seção descreve a colocação do eletrodo para cada bioassinário de interesse. Uma vez que os eletrodos estejam corretamente colocados e bem ligados à pele, eles podem ser conectados ao sistema de aquisição portátil para iniciar as gravações. O conteúdo em vídeo deste artigo mostra um exemplo de monitoramento eletrofisiológico utilizando eletrodos Ag/AgCl disponíveis comercialmente e uma unidade eletrônica portátil.

1. Para ECG, adote uma configuração vestível com dois ou três (um usado como solo). Coloque os eletrodos em múltiplas áreas do corpo (por exemplo, peito, pulsos, costelas) com uma distância intereleditória mínima de 6 cm para obter um sinal apreciável.
   NOTA: Um local clássico implica a colocação de dois eletrodos nas clavículas esquerda e direita; neste caso, o eletrodo moído pode ser colocado na crista ilíaca esquerda.
2. Para registro de atividade elétrica muscular (EMG), coloque os eletrodos ao longo do músculo de interesse (por exemplo, no bíceps ou na panturrilha). Coloque o eletrodo moído em um local estático, como um osso adjacente.
3. Para registro de atividade elétrica cerebral (EEG), coloque os eletrodos em vários locais na cabeça.
   NOTA: Locais confortáveis são a testa e ao redor das orelhas externas. Um eletrodo de referência pode ser necessário, tipicamente atrás da orelha no osso mastoide.
4. Para medições de atividade eletrodérmica (EDA), coloque dois eletrodos na palma da mão esquerda. Realize a gravação quando o sujeito estiver em repouso ou fazendo exercício físico.
   NOTA: A impedância da pele pode ser medida sobre toda a superfície do corpo (por exemplo, as costelas, nas costas, na sola do pé); uma distância interelerodada suficiente de 6 cm garante um bom monitoramento.

Resultados

Este artigo mostra a fabricação de eletrodos confortáveis de contato com a pele por impressão a jato de tinta e um método para caracterizá-los e realizar gravações de eletrofisiologia. Relatamos as etapas de fabricação da impressão do jato de tinta PEDOT:PSS diretamente em diferentes substratos, como tecido (Figura 1A), PEN (Figura 1B) e papel de tatuagem (Figura 1C,D) para referência. Os desenhos propos...

Discussão

Este artigo descreve um processo fácil e escalável para fabricar eletrodos vestíveis e demonstra um método para gravar bioassinamentos eletrofisiológicos. Ele usa três exemplos de substratos vestíveis, como tatuagem, têxtil e filmes finos. Ele introduz como construir um sensor sobre esses substratos e caracteriza seu desempenho antes de sua aplicação. Para fazer os eletrodos aqui, empregamos o PEDOT:PSS, um polímero condutor que se destaca dos condutores à base de metal devido ao seu custo-efetividade, versá...

Materiais

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