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 per consentire la diagnostica medica². Pertanto, interfacce sicure, affidabili e robuste con il corpo umano presentano sfide critiche nello sviluppo di tecnologie indossabili legittime per l'assistenza sanitaria. Gli elettrodi per tatuaggi e tessuti sono recentemente apparsi come interfacce affidabili e stabili percepite come dispositivi innovativi e confortevoli per il biorilevamento indossabile ^3,4,5.

I sensori per tatuaggi sono interfacce secche e sottili che, grazie al loro basso spessore (~1 μm), garantiscono un contatto cutaneo privo di adesivi e conformabile. Si basano su un kit di carta per tatuaggi disponibile in commercio composto da una struttura a strati, che consente il rilascio di uno strato polimerico ultrasottile sulla pelle⁶. La struttura stratificata consente inoltre una facile manipolazione del sottile strato polimerico durante il processo di fabbricazione del sensore e il suo trasferimento sulla pelle. L'elettrodo finale è completamente conformabile e quasi impercettibile per chi lo indossa. I sensori tessili sono dispositivi elettronici ottenuti dalla funzionalizzazione del tessuto con materiali elettroattivi⁷. Sono principalmente integrati o semplicemente cuciti negli abiti per garantire il comfort dell'utente grazie alla loro morbidezza, traspirabilità ed evidente affinità con i capi. Per quasi un decennio, gli elettrodi tessili e per tatuaggi sono stati valutati nelle registrazioni elettrofisiologiche di superficie ^3,8,9, mostrando buoni risultati sia nella vestibilità che nelle registrazioni di qualità del segnale e riportando un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) in valutazioni a breve e lungo termine. Sono anche concepiti come una potenziale piattaforma per l'analisi biochimica del sudore indossabile ^1,10.

Il crescente interesse per le tecnologie del tatuaggio, del tessile e, in generale, del film sottile flessibile (ad esempio, quelle realizzate con fogli di plastica come il parilene o diversi elastomeri) è principalmente promosso dalla compatibilità con metodi di fabbricazione a basso costo e scalabili. La serigrafia, la stampa a getto d'inchiostro, la modellazione diretta, il rivestimento a immersione e il trasferimento di timbri sono stati adottati con successo per produrre tali tipi di interfacce elettroniche¹¹. Tra queste, la stampa a getto d'inchiostro è la tecnica di prototipazione digitale e veloce più avanzata. Si applica principalmente alla modellazione di inchiostri conduttivi in modo additivo senza contatto in condizioni ambientali e su una grande varietà di substrati¹². Sebbene più sensori indossabili siano stati fabbricati attraverso il modello di inchiostro metallico nobile¹³, i film metallici sono fragili e subiscono fessurazioni quando sollecitati meccanicamente. Diversi gruppi di ricerca hanno adottato diverse strategie per dotare i metalli della proprietà di compatibilità meccanica con la pelle. Queste strategie includono la riduzione dello spessore del film e l'utilizzo di disegni serpentini o substrati rugosi e prescritti 14,15,16. I materiali conduttivi morbidi e intrinsecamente flessibili, come i polimeri conduttivi, hanno trovato la loro applicazione nei dispositivi bioelettronici flessibili. La loro flessibilità polimerica è combinata con la conduttività elettrica e ionica. PEDOT:PSS è il polimero conduttivo più utilizzato in bioelettronica. È caratterizzato da morbidezza, biocompatibilità, sostenibilità e lavorabilità di stampa¹⁷, che lo rendono compatibile con la produzione diffusa di dispositivi biomedici.

Dispositivi, come gli elettrodi planari collegati a un sistema di acquisizione, consentono la registrazione di biopotenziali nel monitoraggio della salute. I biopotenziali del corpo umano sono segnali elettrici generati da cellule elettrogeniche che si propagano attraverso il corpo fino alla superficie della pelle. A seconda di dove sono posizionati gli elettrodi, è possibile acquisire dati relativi all'attività elettrica del cervello (EEG), dei muscoli (EMG), del cuore (ECG) e della conduttività cutanea (ad esempio, bioimpedenza o attività elettrodermica, EDA). La qualità dei dati viene quindi valutata per valutare l'usabilità degli elettrodi nelle applicazioni cliniche. Un SNR elevato definisce le loro prestazioni¹⁸, che in genere vengono confrontate con le registrazioni degli elettrodi Ag / AgCl all'avanguardia. Sebbene gli elettrodi Ag/AgCl abbiano anche un elevato SNR, mancano di operatività a lungo termine e vestibilità conformabile. Le registrazioni di biosegnali di alta qualità forniscono informazioni sullo stato di salute umano correlato alla funzione di un particolare organo. Pertanto, questi vantaggi di comode interfacce per tatuaggi o tessuti indicano la loro promessa per applicazioni a lungo termine che possono consentire il monitoraggio della salute mobile nella vita reale e aprire la strada allo sviluppo della telemedicina¹⁹.

Questo documento riporta come fabbricare e valutare elettrodi per tatuaggi e tessuti nel biomonitoraggio sanitario. Dopo la sua fabbricazione, deve essere caratterizzato un nuovo elettrodo. Tipicamente, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) viene adottata per studiare le prestazioni elettriche dell'elettrodo rispetto a un'interfaccia target (ad esempio, la pelle) in termini di funzione di trasferimento. L'EIS viene utilizzato per confrontare le caratteristiche di impedenza di più elettrodi ed eseguire test in diverse condizioni (ad esempio, variando la progettazione dell'elettrodo o studiando le risposte a lungo termine). Questo documento mostra la registrazione dei biosegnali di superficie attraverso una facile configurazione e riporta un metodo intuitivo per registrare diversi tipi di biosegnali applicabili a qualsiasi nuovo elettrodo fabbricato che deve essere convalidato per le registrazioni biopotenziali cutanee.

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 elettrofisiologia su substrati commerciali e flessibili- carta per tatuaggi⁶ e tessuto²¹. Lo stesso approccio è stato ampiamente adottato per realizzare elettrodi su substrati flessibili come sottili fogli di plastica²². In tutti i casi, è stata utilizzata una stampante a getto d'inchiostro per la modellazione di PEDOT:PSS (vedere la Tabella dei materiali).

1. Pre-elaborazione del substrato dell'elettrodo
   1. Taglia un pezzo del substrato di interesse.
      1. Quando si utilizza un substrato per tatuaggi, lavarlo con acqua prima di stampare per rimuovere lo strato più alto e solubile in acqua dalla carta²³.
         NOTA: Il kit carta tatuaggio è inoltre dotato di un foglio di colla utilizzato in questo lavoro, sia per migliorare l'adesione del tatuaggio che come strato di passivazione. La carta per tatuaggi ha una struttura stratificata (Figura supplementare S1), che include un foglio di carta di supporto, uno strato di polivinillalcol (PVA) solubile in acqua, un film di poliuretano rilasciabile e uno strato di PVA più in alto. Il foglio di colla ha una struttura stratificata composta da carta siliconica come supporto, colla acrilica a base d'acqua e un rivestimento a sgancio superiore.
   2. Per fabbricare sensori indossabili, inizia a tagliare il substrato di interesse. Posizionare il substrato sulla piastra della stampante, nastrandone il bordo per mantenerlo piatto.
2. Stampa di PEDOT: inchiostro PSS
   1. Preparare il disegno da stampare, ad esempio un cerchio (diametro 12 mm) con un pad rettangolare nella parte inferiore (3 mm x 7 mm), quest'ultimo da utilizzare per l'interconnessione.
   2. Riempire le cartucce della stampante (10 pl) con l'inchiostro commerciale PEDOT:PSS dopo averlo filtrato. Questa è una dispersione acquosa del polimero conduttivo.
   3. Stampare il disegno sul substrato.
      1. Quando si utilizza carta per tatuaggi e tessuti, che hanno rispettivamente un'energia superficiale moderata-alta e proprietà assorbenti, stampare con una spaziatura delle gocce di ~ 20 μm.
      2. Stampare più strati PEDOT:PSS, consecutivamente o applicando un processo di essiccazione (110 °C per 15 min) tra gli strati per creare un modello conduttivo omogeneo e continuo.
         NOTA: Ciò è particolarmente richiesto nel caso degli elettrodi tessili, in cui la struttura 3D dei tessuti richiede più contenuto di inchiostro per creare un percorso conduttivo continuo all'interno del tessuto.
   4. Asciugare l'elettrodo a 110 °C per 15 minuti nel forno per completare l'evaporazione del solvente.
      NOTA: gli elettrodi ottenuti su carta tessile, PET e per tatuaggi (Figura 1A-C) stampando più dispositivi in una sola tiratura (Figura 1D) possono ora essere conservati in un ambiente chiuso, pulito e asciutto prima di continuare con i passaggi successivi.
3. Fabbricazione di connettori esterni
   1. Elettrodi per tatuaggi
      1. Tagliare un pezzo rettangolare di substrato in polietilene naftalato (PEN) (8 mm x 12 mm, spessore 1,3 mm).
      2. Stampare un design rettangolare (3 mm x 12 mm) con tre strati PEDOT:PSS sulla parte superiore del substrato.
      3. Asciugare il campione stampato in forno a 110 °C per 15 min.
      4. Laminare l'interconnessione PEN sull'elettrodo del tatuaggio, con le parti rettangolari PEDOT:PSS una di fronte all'altra.
      5. Tagliare un foro (diametro 11,3 mm) nel foglio di colla di carta per tatuaggi. Allineare questo foro del foglio di colla con la parte sensibile circolare dell'elettrodo PEDOT:PSS del tatuaggio. Aggiungere un pezzo di nastro in poliimmide (vedere la Tabella dei materiali) all'estremità libera dell'interconnessione PEN.
   2. Elettrodi in fogli tessili e plastici
      1. Fissare un pezzo di nastro conduttivo (ad esempio, nastro di rame) attorno alla connessione rettangolare stampata per ottenere un'interconnessione robusta e stabile.
      2. Collegare un connettore pogo pin al nastro di rame e collegare il pin pogo al sistema di registrazione.
4. Trasferimento dell'elettrodo del tatuaggio
   1. Rimuovere il rivestimento della colla. Posiziona il tatuaggio sulla porzione desiderata della pelle.
   2. Bagnare la carta di supporto posteriore, mantenendo il tatuaggio in posizione. Una volta che la carta di supporto posteriore è imbevuta, farla scorrere per rimuoverla, lasciando sulla pelle solo l'elettrodo realizzato con la pellicola ultrasottile trasferibile.
   3. Collegare il contatto PEN piatto all'unità di acquisizione esterna. Vedere paragrafo 1.3.
5. Posizionamento elettrodi tessili
   1. Posizionare l'elettrodo sulla pelle. Con l'aiuto di un braccialetto sportivo in tessuto o di un nastro medico, mantenere l'elettrodo a contatto stabile con la pelle per garantire registrazioni del segnale di alta qualità durante il movimento.
6. Eseguire la registrazione elettrofisiologica di superficie desiderata. Lavare via gli elettrodi del tatuaggio dopo le registrazioni strofinandoli con una spugna bagnata.

2. Caratterizzazione degli elettrodi mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica

1. Misurazione su corpo
   1. Assicurati che il volontario sia comodamente seduto con un braccio posto su un tavolo a riposo.
      NOTA: non è necessaria alcuna pulizia o lavaggio della pelle.
2. Posizionamento dell'elettrodo
   1. Posizionare un elettrodo sulla pelle e collegarlo all'elettrodo di rilevamento dell'elettrodo funzionante (WE-S) dell'EIS.
   2. Posizionare un altro elettrodo a 3 cm di distanza dal primo e collegarlo al controelettrodo (CE) dell'EIS.
   3. Posizionare il terzo elettrodo sul gomito e collegarlo all'elettrodo di riferimento (RE) dell'EIS. Vedere la Figura 2A per la configurazione dei tre elettrodi .
      NOTA: Gli elettrodi collegati al CE e al RE dell'EIS possono essere entrambi elettrodi Ag/AgCl o fatti di PEDOT:PSS, come nel caso del WE in questo studio.
3. Avviare la registrazione sul potenziostato EIS. Applicare una corrente tra il contatore e gli elettrodi di lavoro. Misurare la variazione potenziale tra la coppia di riferimento e di rilevamento.
   NOTA: Il collegamento dell'elettrodo del tatuaggio e del tessuto con il sistema di acquisizione può essere realizzato con una clip per formare un collegamento elettrico stabile con i cavi del potenziostato. L'impedenza di uscita calcolata ad ogni frequenza è costituita da due contributi: impedenza cutanea e impedenza di contatto pelle-elettrodo.

3. Registrazioni elettrofisiologiche di superficie

NOTA: la sezione seguente descrive il posizionamento dell'elettrodo per ogni biosegnale di interesse. Una volta che gli elettrodi sono posizionati correttamente e ben attaccati alla pelle, possono essere collegati al sistema di acquisizione portatile per avviare le registrazioni. Il contenuto video di questo articolo mostra un esempio di monitoraggio elettrofisiologico utilizzando elettrodi Ag/AgCl disponibili in commercio e un'unità elettronica portatile.

1. Per l'ECG, adottare una configurazione indossabile con due o tre (uno usato come terra) elettrodi. Posizionare gli elettrodi in più aree del corpo (ad esempio, torace, polsi, costole) con una distanza minima interelettrodo di 6 cm per ottenere un segnale apprezzabile.
   NOTA: Una posizione classica comporta il posizionamento di due elettrodi sulle clavicole sinistra e destra; in questo caso, l'elettrodo di terra può essere posizionato sulla cresta iliaca sinistra.
2. Per la registrazione dell'attività elettrica muscolare (EMG), posizionare gli elettrodi lungo il muscolo di interesse (ad esempio, sul bicipite o sul polpaccio). Posizionare l'elettrodo di terra in una posizione statica come un osso adiacente.
3. Per la registrazione dell'attività elettrica cerebrale (EEG), posizionare gli elettrodi in più posizioni sulla testa.
   NOTA: le posizioni confortevoli sono la fronte e intorno alle orecchie esterne. Può essere necessario un elettrodo di riferimento, in genere dietro l'orecchio sull'osso mastoideo.
4. Per le misurazioni dell'attività elettrodermica (EDA), posizionare due elettrodi sul palmo della mano sinistra. Eseguire la registrazione quando il soggetto è a riposo o sta facendo esercizio fisico.
   NOTA: l'impedenza cutanea può essere misurata su tutta la superficie corporea (ad esempio, le costole, sulla schiena, sulla suola del piede); una distanza interelettrode sufficiente di 6 cm garantisce un buon monitoraggio.

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