Name: conformable wearable electrodes: from fabrication to electrophysiological assessment
Uploaded: 2022-07-22T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment at JoVE.com

Dit werk werd ondersteund door het Franse Nationale Onderzoeksagentschap via het ANR JCJC OrgTex-project (ANR-17-CE19-0010). Het heeft ook financiering ontvangen van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie in het kader van de Marie Sklodowska-Curie-subsidieovereenkomst nr. 813863. E.I. wil de medewerkers van de CMP cleanroom van het Centre Microelectronics in de Provence bedanken voor hun technische ondersteuning tijdens de ontwikkeling van het project.

OPMERKING: Experimenten met menselijke proefpersonen betroffen niet het verzamelen van identificeerbare privé-informatie met betrekking tot de gezondheidstoestand van het individu en worden hier alleen gebruikt voor technologische demonstratie. De gegevens werden gemiddeld over drie verschillende onderwerpen. De elektrofysiologische opnames werden geëxtraheerd uit eerder gepubliceerde gegevens 6,21.
1. Inkjet-geprinte PEDOT: PS...

<ol>
	<li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+alcohol+monitoring+using+a+wearable+tattoo-based+iontophoretic-biosensing+system.">Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system.</a> ACS Sensors. 1 (8), 1011-1019 (2016).</li><li>Ha, M., Lim, S., Ko, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wearable+and+flexible+sensors+for+user-interactive+health-monitoring+devices.">Wearable and flexible sensors for user-interactive health-monitoring devices.</a> Journal of Materials Chemistry B. 6 (24), 4043-4064 (2018).</li><li>Kim, D. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidermal+electronics.">Epidermal electronics.</a> Science. 333 (6044), 838-843 (2011).</li><li>Takamatsu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+patterning+of+organic+conductors+on+knitted+textiles+for+long-term+electrocardiography.">Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography.</a> Scientific Reports. 5, 1-7 (2015).</li><li>Windmiller, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+sensing+based+on+printable+temporary+transfer+tattoos.">Electrochemical sensing based on printable temporary transfer tattoos.</a> Chemical Communications. 48 (54), 6794-6796 (2012).</li><li>Ferrari, L. M., Ismailov, U., Badier, J. M., Greco, F., Ismailova, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conducting+polymer+tattoo+electrodes+in+clinical+electro-+and+magneto-encephalography.">Conducting polymer tattoo electrodes in clinical electro- and magneto-encephalography.</a> npj Flexible Electronics. 4 (1), 1-9 (2020).</li><li>Heo, J. S., Eom, J., Kim, Y. H., Park, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+of+textile-based+wearable+electronics:+A+comprehensive+review+of+materials,+devices,+and+applications.">Recent progress of textile-based wearable electronics: A comprehensive review of materials, devices, and applications.</a> Small. 14 (3), 1-16 (2018).</li><li>Nigusse, A. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Tseghai, G. B., Van Langenhove, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wearable+smart+textiles+for+long-term+electrocardiography+monitoring-a+review.">Wearable smart textiles for long-term electrocardiography monitoring-a review.</a> Sensors. 21 (12), 4174 (2021).</li><li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrically+compensated,+tattoo-like+electrodes+for+epidermal+electrophysiology+at+scale.">Electrically compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiology at scale.</a> Science Advances. 6 (43), (2020).</li><li>Fan, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Machine-knitted+washable+sensor+array+textile+for+precise+epidermal+physiological+signal+monitoring.">Machine-knitted washable sensor array textile for precise epidermal physiological signal monitoring.</a> Science Advances. 6 (11), (2020).</li><li>Tseghai, G. B., Mengistie, D. A., Malengier, B., Fante, K. A., Van Langenhove, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PEDOT:PSS-based+conductive+textiles+and+their+applications.">PEDOT:PSS-based conductive textiles and their applications.</a> Sensors. 20 (7), 1-18 (2020).</li><li>Magliulo, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printable+and+flexible+electronics:+From+TFTs+to+bioelectronic+devices.">Printable and flexible electronics: From TFTs to bioelectronic devices.</a> Journal of Materials Chemistry C. 3 (48), 12347-12363 (2015).</li><li>Raut, N. C., Al-Shamery, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inkjet+printing+metals+on+flexible+materials+for+plastic+and+paper+electronics.">Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics.</a> Journal of Materials Chemistry C. 6 (7), 1618-1641 (2018).</li><li>Kaltenbrunner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+ultra-lightweight+design+for+imperceptible+plastic+electronics.">An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics.</a> Nature. 499 (7459), 458-463 (2013).</li><li>Kim, D. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimized+structural+designs+for+stretchable+silicon+integrated+circuits.">Optimized structural designs for stretchable silicon integrated circuits.</a> Small. 5 (24), 2841-2847 (2009).</li><li>Yu, Y., Peng, S., Blanloeuil, P., Wu, S., Wang, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wearable+temperature+sensors+with+enhanced+sensitivity+by+engineering+microcrack+morphology+in+PEDOT:PSS-PDMS+sensors.">Wearable temperature sensors with enhanced sensitivity by engineering microcrack morphology in PEDOT:PSS-PDMS sensors.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (32), 36578-36588 (2020).</li><li>Martin, D. C., Malliaras, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacing+electronic+and+ionic+charge+transport+in+bioelectronics.">Interfacing electronic and ionic charge transport in bioelectronics.</a> ChemElectroChem. 3 (5), 686-688 (2016).</li><li>Inzelberg, L., Hanein, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiology+meets+printed+electronics:+The+beginning+of+a+beautiful+friendship.">Electrophysiology meets printed electronics: The beginning of a beautiful friendship.</a> Frontiers in Neuroscience. 12, 992 (2019).</li><li>Kim, J., Campbell, A. S., de &#193;vila, B. E. F., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wearable+biosensors+for+healthcare+monitoring.">Wearable biosensors for healthcare monitoring.</a> Nature Biotechnology. 37 (4), 389-406 (2019).</li><li>Bihar, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+inkjet-printed,+ultrathin+and+conformable+organic+photovoltaics+as+power+source+based+on+cross-linked+PEDOT:PSS+electrodes.">Fully inkjet-printed, ultrathin and conformable organic photovoltaics as power source based on cross-linked PEDOT:PSS electrodes.</a> Advanced Materials Technologies. 5 (8), 2000226 (2020).</li><li>Bihar, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+printed+all-polymer+tattoo/textile+electronics+for+electromyography.">Fully printed all-polymer tattoo/textile electronics for electromyography.</a> Flexible and Printed Electronics. 3 (3), 034004 (2018).</li><li>Seekaew, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+and+flexible+printed+graphene-PEDOT:PSS+gas+sensor+for+ammonia+detection.">Low-cost and flexible printed graphene-PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection.</a> Organic Electronics. 15 (11), 2971-2981 (2014).</li><li>Ferrari, L. M., Keller, K., Burtscher, B., Greco, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporary+tattoo+as+unconventional+substrate+for+conformable+and+transferable+electronics+on+skin+and+beyond.">Temporary tattoo as unconventional substrate for conformable and transferable electronics on skin and beyond.</a> Multifunctional Materials. 3 (3), 032003 (2020).</li><li>Searle, A., Kirkup, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+direct+comparison+of+wet,+dry+and+insulating+bioelectric+recording+electrodes.">A direct comparison of wet, dry and insulating bioelectric recording electrodes.</a> Physiological Measurement. 21 (2), 271-283 (2000).</li><li>Ferrari, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultraconformable+temporary+tattoo+electrodes+for+electrophysiology.">Ultraconformable temporary tattoo electrodes for electrophysiology.</a> Advanced Science. 5 (3), 1700771 (2018).</li><li>Teplan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamental+of+EEG+measurement.">Fundamental of EEG measurement.</a> Measurement Science Review. 2 (2), 1-11 (2002).</li><li>Pachori, R., Gupta, V., Firouzi, F., Chakrabarty, K., Nassif, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomedical+engineering+fundamentals.">Biomedical engineering fundamentals.</a> Intelligent Internet of Things. From Device to Fog and Cloud. , 547-605 (2019).</li><li>Caruelle, D., Gustafsson, A., Shams, P., Lervik-Olsen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+electrodermal+activity+(EDA)+measurement+to+understand+consumer+emotions-A+literature+review+and+a+call+for+action.">The use of electrodermal activity (EDA) measurement to understand consumer emotions-A literature review and a call for action.</a> Journal of Business Research. 104, 146-160 (2019).</li><li>Huseynova, G., Hyun Kim, Y., Lee, J. H., Lee, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rising+advancements+in+the+application+of+PEDOT:PSS+as+a+prosperous+transparent+and+flexible+electrode+material+for+solution-processed+organic+electronics.">Rising advancements in the application of PEDOT:PSS as a prosperous transparent and flexible electrode material for solution-processed organic electronics.</a> Journal of Information Display. 21 (2), 71-91 (2020).</li><li>Bonnassieux, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+2021+flexible+and+printed+electronics+roadmap.">The 2021 flexible and printed electronics roadmap.</a> Flexible and Printed Electronics. 6, 023001 (2022).</li><li>Nawrocki, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-+and+ultrathin+organic+field-effect+transistors:+from+flexibility+to+super-+and+ultraflexibility.">Super- and ultrathin organic field-effect transistors: from flexibility to super- and ultraflexibility.</a> Advanced Functional Materials. 29 (51), 1-12 (2019).</li><li>Kim, I., Shahariar, H., Ingram, W. F., Zhou, Y., Jur, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inkjet+process+for+conductive+patterning+on+textiles:+Maintaining+inherent+stretchability+and+breathability+in+knit+structures.">Inkjet process for conductive patterning on textiles: Maintaining inherent stretchability and breathability in knit structures.</a> Advanced Functional Materials. 29 (7), 1807573 (2019).</li><li>Bihar, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+printed+electrodes+on+stretchable+textiles+for+long-term+electrophysiology.">Fully printed electrodes on stretchable textiles for long-term electrophysiology.</a> Advanced Materials Technologies. 2 (4), 1600251 (2017).</li><li>Ferrari, L. M., Ismailov, U., Greco, F., Ismailova, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capacitive+coupling+of+conducting+polymer+tattoo+electrodes+with+the+skin.">Capacitive coupling of conducting polymer tattoo electrodes with the skin.</a> Advanced Materials Interfaces. 8 (15), 2100352 (2021).</li><li>Inzelberg, L., Rand, D., Steinberg, S., David-Pur, M., Hanein, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+wearable+high-resolution+facial+electromyography+for+long+term+recordings+in+freely+behaving+humans.">A wearable high-resolution facial electromyography for long term recordings in freely behaving humans.</a> Scientific Reports. 8 (1), 2058 (2018).</li></ol>

Dit artikel beschrijft een eenvoudig en schaalbaar proces om draagbare elektroden te fabriceren en demonstreert een methode voor het registreren van elektrofysiologische biosignalen. Het maakt gebruik van drie voorbeelden van draagbare substraten, zoals tatoeage, textiel en dunne films. Het introduceert hoe een sensor op deze substraten kan worden gebouwd en de prestaties ervan kunnen worden gekarakteriseerd voordat deze wordt aangebracht. Om de elektroden hier te maken, gebruikten we PEDOT: PSS, een geleidend polymeer d...

Niet-invasieve biopotentiële registratie wordt uitgevoerd via huidcontactelektroden, die een enorme hoeveelheid gegevens opleveren over de fysiologische status van het menselijk lichaam in fitness en gezondheidszorg1. Nieuwe soorten draagbare biomonitoring-apparaten zijn ontwikkeld op basis van de nieuwste technologische ontwikkelingen in de elektronica tot het afschalen van geïntegreerde besturings- en communicatiecomponenten naar draagbare afmetingen. Slimme bewakingsapparatuur doordringt dagelijks de markt en biedt meerdere bewakingsmogelijkheden met als uiteindelijk doel voldoende fysiologische inhoud te bieden om medische diagnostiek mogelijk te maken2. Daarom vormen veilige, betrouwbare en robuuste interfaces met het menselijk lichaam cruciale uitdagingen bij de ontwikkeling van legitieme draagbare technologieën voor de gezondheidszorg. Tatoeage- en textielelektroden zijn onlangs verschenen als betrouwbare en stabiele interfaces die worden gezien als innovatieve, comfortabele apparaten voor draagbare biosensing 3,4,5.
Tatoeagesensoren zijn droge en dunne interfaces die door hun lage dikte (~1 μm) zorgen voor lijmvrij, conformeerbaar huidcontact. Ze zijn gebaseerd op een in de handel verkrijgbare tattoo-papierkit die bestaat uit een gelaagde structuur, waardoor een ultradunne polymere laag op de huid kan wordenvrijgegeven 6. De gelaagde structuur zorgt ook voor een eenvoudige hantering van de dunne polymere laag tijdens het fabricageproces van de sensor en de overdracht ervan naar de huid. De uiteindelijke elektrode is volledig conformeerbaar en bijna onmerkbaar voor de drager. Textielsensoren zijn elektronische apparaten die worden verkregen uit de functionalisering van stoffen met elektroactieve materialen7. Ze zijn voornamelijk geïntegreerd of eenvoudig in kleding genaaid om het comfort van de gebruiker te garanderen vanwege hun zachtheid, ademend vermogen en duidelijke affiniteit met kledingstukken. Al bijna een decennium worden textiel- en tatoeage-elektroden beoordeeld in oppervlakte-elektrofysiologische opnames 3,8,9, die goede resultaten laten zien, zowel in draagbaarheid als signaalkwaliteitsregistraties en rapportage van hoge signaal-ruisverhouding (SNR) in korte- en langetermijnevaluaties. Ze zijn ook opgevat als een potentieel platform voor draagbare biochemische zweetanalyse 1,10.
De groeiende interesse in tatoeage, textiel en, in het algemeen, flexibele dunnefilmtechnologieën (bijvoorbeeld die gemaakt van plastic folies zoals paryleen of verschillende elastomeren) wordt voornamelijk bevorderd door de compatibiliteit met goedkope en schaalbare fabricagemethoden. Zeefdruk, inkjetdruk, directe patronen, dipcoating en stempeloverdracht zijn met succes toegepast om dergelijke elektronische interfaces te produceren11. Onder deze, inkjet printen is de meest geavanceerde digitale en snelle prototyping techniek. Het wordt voornamelijk toegepast op het patroon van geleidende inkten op een contactloze, additieve manier onder omgevingsomstandigheden en op een grote verscheidenheid aan substraten12. Hoewel meerdere draagbare sensoren zijn vervaardigd door middel van edelmetaalinktpatroon13, zijn metalen films broos en worden ze gebarsten wanneer ze mechanisch worden belast. Verschillende onderzoeksgroepen hebben verschillende strategieën aangenomen om metalen te voorzien van de eigenschap van mechanische compatibiliteit met de huid. Deze strategieën omvatten het verminderen van de filmdikte en het gebruik van serpentijnontwerpen of gerimpelde en voorgespannen substraten 14,15,16. Zachte en intrinsiek flexibele geleidende materialen, zoals geleidende polymeren, vonden hun toepassing in flexibele bio-elektronische apparaten. Hun polymere flexibiliteit wordt gecombineerd met elektrische en ionische geleidbaarheid. PEDOT: PSS is het meest gebruikte geleidende polymeer in de bio-elektronica. Het wordt gekenmerkt door zachtheid, biocompatibiliteit, duurzaamheid en printprocesbaarheid17, waardoor het compatibel is met de wijdverspreide productie van biomedische apparaten.
Apparaten, zoals planaire elektroden die zijn aangesloten op een acquisitiesysteem, maken het mogelijk om biopotentiële stoffen in gezondheidsmonitoring te registreren. Biopotentialen van het menselijk lichaam zijn elektrische signalen die worden gegenereerd door elektrogene cellen die zich door het lichaam naar het huidoppervlak voortplanten. Afhankelijk van waar de elektroden zijn geplaatst, is het mogelijk om gegevens te verkrijgen met betrekking tot de elektrische activiteit van de hersenen (EEG), spieren (EMG), hart (ECG) en huidgeleiding (bijv. Bio-impedantie of elektrodermale activiteit, EDA). De kwaliteit van de gegevens wordt vervolgens beoordeeld om de bruikbaarheid van de elektroden in klinische toepassingen te evalueren. Een hoge SNR definieert hun prestaties18, die meestal worden vergeleken met state-of-the-art Ag / AgCl-elektrode-opnames. Hoewel de Ag/AgCl-elektroden ook een hoge SNR hebben, missen ze de operationele bruikbaarheid op lange termijn en de aanpasbare draagbaarheid. Hoogwaardige biosignale opnames geven inzicht in de gezondheidstoestand van de mens met betrekking tot de functie van een bepaald orgaan. Deze voordelen van comfortabele tattoo- of textielinterfaces geven dus hun belofte aan voor langetermijntoepassingen die real-life mobiele gezondheidsmonitoring mogelijk kunnen maken en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van telegeneeskunde19.
Dit artikel rapporteert hoe tatoeage- en textielelektroden in biomonitoring voor gezondheid kunnen worden vervaardigd en beoordeeld. Na de fabricage moet een nieuwe elektrode worden gekarakteriseerd. Doorgaans wordt elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) gebruikt om de elektrische prestaties van de elektrode te bestuderen met betrekking tot een doelinterface (bijv. Huid) in termen van de overdrachtsfunctie. EIS wordt gebruikt om de impedantie-eigenschappen van meerdere elektroden te vergelijken en tests uit te voeren onder verschillende omstandigheden (bijvoorbeeld het variëren van het elektrodeontwerp of het bestuderen van langetermijnresponsen). Dit artikel toont de registratie van oppervlaktebiosignalen door middel van een eenvoudige installatie en rapporteert een gebruiksvriendelijke methode om verschillende soorten biosignalen vast te leggen die van toepassing zijn op elke nieuwe gefabriceerde elektrode die moet worden gevalideerd voor cutane biopotentiële opnames.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Biosignalplux - Plux wireless device for electrophysiological recordings</td>
			<td>PLUX Wireless Biosignals S.A</td>
			<td></td>
			<td>EEG, ECG, EMG, EDA sensors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Covidien Kendal Disposable electrodes, medical grade disposable electrodes (Pregelled, 24 mm)</td>
			<td>Covidien / Kendal (formally Tyco) ARBO electrodes</td>
			<td>H124SG</td>
			<td>Commercial Ag/AgCl electrodes for electrophysiology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimatix inkjet printer</td>
			<td>Fujifilm</td>
			<td>DMP 2800</td>
			<td>Inkjet printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Cutter</td>
			<td>Universal Laser Systems</td>
			<td>VLS 3.50, 50 W</td>
			<td>Laser cutter to cut the glue sheet for tattoo electrodes fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NOVA</td>
			<td>Metrohm Autolab</td>
			<td>NOVA 2.1</td>
			<td>Electrochemistry software to control Autolab instruments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OpenSignals</td>
			<td>2020 PLUX wireless biosignals, S.A.</td>
			<td></td>
			<td>Software suite for real-time biosignals visualisation, capable of direct interaction with PLUX devices</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEDOT:PSS inkjet printable ink</td>
			<td>Heraeus Deutschland GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td>CLEVIOS Pjet 700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene naphthalene (PEN) foil</td>
			<td>&#160;Goodfellow</td>
			<td>thickness 1.3 &#956;m</td>
			<td>Used for tattoo electrodes interconnection fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyimide tape</td>
			<td>3M</td>
			<td>Kapton tape by 3 M, thickness 50 &#956;m</td>
			<td>Used for tattoo electrodes interconnection fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>Metrohm Autolab</td>
			<td>Autolab potentiostat B.V.</td>
			<td>Used for EIS measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silhouette temporary tattoo paper kit</td>
			<td>Silhouette Americ, Inc, US</td>
			<td></td>
			<td>Substrate for tattoo-based electrodes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wowen textile 100% cotton and commercially available pantyhose</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Substrate for textile-based electrodes</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

conformable wearable electrodes: from fabrication to electrophysiological assessment

Draagbare elektronische apparaten worden belangrijke spelers in het monitoren van de lichaamssignalen die voornamelijk worden gewijzigd tijdens het volgen van fysieke activiteiten. Gezien de groeiende interesse in telegeneeskunde en gepersonaliseerde zorg, gedreven door de opkomst van het Internet of Things-tijdperk, hebben draagbare sensoren hun toepassingsgebied uitgebreid naar de gezondheidszorg. Om de verzameling van klinisch relevante gegevens te garanderen, moeten deze apparaten conforme interfaces met het menselijk lichaam tot stand brengen om opnames van hoge signaalkwaliteit en langdurige werking te bieden. Hiertoe presenteert dit artikel een methode om eenvoudig conforme dunne tatoeage- en zachte textielgebaseerde sensoren te fabriceren voor hun toepassing als draagbare organische elektronische apparaten in een breed spectrum van oppervlakte-elektrofysiologische opnames. 
De sensoren zijn ontwikkeld door middel van een kosteneffectief en schaalbaar proces van cutane elektrodepatronen met behulp van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) -poly (styreensulfaat) (PEDOT: PSS), het meest populaire geleidende polymeer in bio-elektronica, op kant-en-klare, draagbare substraten. Dit artikel presenteert belangrijke stappen in elektrodekarakterisering door middel van impedantiespectroscopie om hun prestaties in signaaltransductie in combinatie met de huid te onderzoeken. Vergelijkende studies zijn nodig om de prestaties van nieuwe sensoren te positioneren ten opzichte van de klinische gouden standaard. Om de prestaties van de gefabriceerde sensoren te valideren, laat dit protocol zien hoe verschillende biosignale opnames uit verschillende configuraties kunnen worden uitgevoerd via een gebruiksvriendelijke en draagbare elektronische opstelling in een laboratoriumomgeving. Dit methodendocument zal meerdere experimentele initiatieven mogelijk maken om de huidige stand van de techniek in draagbare sensoren voor het monitoren van de gezondheid van het menselijk lichaam te bevorderen.

Dit artikel toont de fabricage van comfortabele huidcontactelektroden door inkjetprinten en een methode om ze te karakteriseren en elektrofysiologische opnames uit te voeren. We rapporteerden de fabricagestappen van PEDOT:PSS inkjetprinten rechtstreeks op verschillende substraten, zoals stof (figuur 1A), PEN (figuur 1B) en tatoeagepapier (figuur 1C, D) ter referentie. De voorgestelde ontwerpen in protocolstap 1.2.1....

Watch this Scientific Journal Video about Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment at JoVE.com

Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment

Twee recente technologieën - tatoeage en textiel - hebben veelbelovende resultaten laten zien in cutane sensing. Hier presenteren we de fabricage- en evaluatiemethoden van tatoeage- en textielelektroden voor cutane elektrofysiologische detectie. Deze elektronische interfaces van geleidende polymeren presteren beter dan de bestaande normen op het gebied van comfort en gevoeligheid.

Conforme draagbare elektroden: van fabricage tot elektrofysiologische beoordeling

Wearable electronic devices are becoming key players in monitoring the body signals predominantly altered during physical activity tracking. Considering ...

Draagbare elektronische apparaten zijn vandaag de dag de belangrijkste spelers in de monitoring van het menselijk lichaam. Er moeten aanpasbare huidinterfaces worden ontwikkeld om een hoge signaalresolutie en langdurige werking van huidsensoren te bieden. Hier zullen we presenteren hoe u eenvoudig tactiele en zachte textiele elektroden kunt fabriceren, karakteriseren en gebruiken als draagbare organische elektronische sensoren.Om de prestaties van onze gefabriceerde sensoren te valideren, passen we een draagbaar elektronisch systeem toe om verschillende elektrofysiologische signalen van het menselijk lichaam te registreren. We stellen meerdere configuraties voor om verschillende fysiologische signalen eenvoudig in het laboratorium op te nemen. Het volgende protocol is gebruikt om elektroden te fabriceren op commercieel flexibele substraten, zoals tatoeagepapier en textiel.De commerciële tattoo papier kit is ook voorzien van de lijmplaat. Tatoeagepapier heeft een gelaagde structuur met een ondersteunend vel papier, een in water oplosbare polyvinylalcohollaag, een vrij te geven polyurethaanfilm en een bovenste PVA-laag. Om draagbare sensor te fabriceren, begint u met het snijden van de subset van interesse.Plaats de subset op de printerplaat en plak de rand om deze vlak te houden. Vul vervolgens de printercartridge met de commerciële inkt van pws nadat u deze hebt gefilterd. Dit is een nauwkeurige dispersie van het geleidende polymeer.Print vervolgens uw ontwerp op de ondergrond. Voor tatoeagepapier en textiel, die meer de hoge oppervlakte-energie hebben, stelt u in de afdrukparameters een afstand van ongeveer 15 of 20 micrometer in. Droog daarna de elektrode in de oven op 110 graden Celsius gedurende 15 minuten om de oplosmiddelverdamping te voltooien.De uiteindelijke geprinte sensor moet er zo uitzien op tatoeagepapier, stof, PET en rekbaar textiel. Om een externe connector naar het positiesysteem te fabriceren, snijdt u een rechthoekig stuk ultradun substraat, zoals PEN. Print erbovenop een rechthoekig ontwerp met drie PWS'en lagen.Lamineer de ultradunne verbinding op de twee elektroden. Knip een gat in tattoo papier lijmvel. Lijn dit alles uit met het signaaldetectiegedeelte van de pws-elektrode van de tatoeage.Voeg een stuk polymeertape toe aan het vrije uiteinde van de PEN-interconnectie. Om de tatoeage-elektrode over te brengen, verwijdert u de lijmvoering. Plaats de tatoeage op het gewenste deel van de huid.Bevochtig het rugsteunpapier rechts, waardoor de tatoeage op zijn plaats blijft. Zodra het rugsteunpapier is doorweekt, schuift u het om het te verwijderen, waardoor alleen het elektrode-uiteinde van de overdraagbare ultrafilm op de huid achterblijft. Sluit vervolgens het platte PEN-contact aan op de externe acquisitie-eenheid.Om de gefabriceerde elektrode te karakteriseren met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie, voert u uit op lichaamsmeting. Zorg er eerst voor dat de vrijwilliger comfortabel zit met een arm op de tafel in rust. Plaats vervolgens een elektrode op de huid en sluit deze aan op het werkende detectiepaar van de potentiële start.Plaats vervolgens een andere elektrode op drie centimeter afstand van de eerste en sluit deze aan op de tellerelektrode. Plaats ten slotte de derde elektrode op de elleboog en sluit deze aan op de referentie-elektrodekabel. Start vervolgens de meting met de potentiaalstart.Breng een stroom aan tussen de teller en de werkende elektroden en meet de potentiaalvariatie tussen het referentie- en het detectiepaar. Merk op dat de outputimpedantie berekend op elke frequentie uit twee bijdragen bestaat. De huidimpedantie en de huid-elektrode contactimpedantie.In het volgende gedeelte wordt de ladderplaatsing voor elk biosignaal van belang beschreven. Een voorbeeld van elektro-visuele artikelbewaking met behulp van in de handel verkrijgbare C-links en C-rechts elektroden. Pas voor ECG een configuratie aan met drie elektroden, waarvan één als aarde.Voor de elektrische activiteit van de hersenen, EEG, plaats de elektroden op het voorhoofd en rond de buitenste oren. Voor de elektrodermale activiteitsmeting, EDA, plaatst u twee elektroden aan de bovenkant van de linkerhand. Voer vervolgens de opname uit terwijl het onderwerp in rust is of lichaamsbeweging doet.Om de prestaties van de elektrode te karakteriseren, rapporteerden we de representatieve impedantie van textielelektroden. Textielelektroden vertonen een iets hogere maar vergelijkbare impedantie dan CI-gesinterde rechter standaardelektroden. De vorm van de impedantiemodellen duidt op een iets hoger resistief gedrag in het geval van textielelektroden.Terwijl de standaard CI gesinterd rechts typisch resistief capaciteitsgedrag vertoont. Door elektroden op de huid te plaatsen in verschillende lichaamsdelen, hebben we toegang tot meerdere biosignalen. De EEG-tracering verdrong de elektrische activiteitsregistratie van de populatie van actieve neuronen.Een van de basisgroep van hersengolven is de Alpha tussen 8 en 13 hertz. De Alpha-golven weerspiegelen de toestand van de hersenen onder ontspanning en kunnen worden geïnduceerd door het onderwerp te vragen zijn ogen te sluiten. De grijze verticale streepjeslijn markeert het moment in de opname waarop de vrijwilliger werd gevraagd zijn ogen te openen.De ECG-tracering toont de polarisatie en de polarisatie van het atrium en de ventrikels van het hart, vertegenwoordigd door het karakteristieke patroon bestaande uit de P-golf, IQRS-complex en een T-golf. De R-pieken vertonen de hoogste amplitude en worden gebruikt om de hartslag te berekenen door rekening te houden met de tijd tussen twee opeenvolgende. We registreerden de EMG-tracing terwijl de vrijwilliger de kracht van de R-spieren geleidelijk verhoogde.De geïntensiveerde spieractiviteit wordt gekwantificeerd door de toename van de amplitude van de spanningspieken. In een EMG-tracering weerspiegelen pieken met amplitude van enkele microvolt tot enkele minivolt in het frequentiebereik van 10 tot duizend hertz de spier van de hyperactiviteit, aangedreven door de actiepotentialen van de motoreenheid. De EDA-tracering bestaat meestal uit een tonicum en een wazige component.De tonische component weerspiegelt het huidgeleidingsniveau en komt overeen met het achtergrondsignaal. De fuzzy component weerspiegelt de reactie van het onderwerp op een specifieke stimulus en is detecteerbaar door verandering in de huidgeleidingswaarde. Deze tracering wordt gebruikt om het menselijke stressniveau en de hydratatie van het lichaam te evalueren.Met ons protocol verkrijgen we een zachte en comfortabele huidsensor voor het patroon van een geleidende inkt op vaak zachte cel recht. En het printen is een lokale en schaalbare techniek die zich onderscheidt van traditionele micro-elektronische fabricageprocessen. De voorgestelde methode beschrijft hoe elektrosignalen kunnen worden verkregen die variëren van zwakke neuroactiviteit tot spiercontractie met een hoog vermogen.Het signaal maakt het mogelijk om binnen te komen in de fysiologische status van het lichaam van de gebruiker. Van een rol presenteren we de eerste stap over de haalbaarheid van naadloze verbale apparaten voor een verscheidenheid van mijn medische toepassingen, die is gesponnen van fitness tot gezondheidszorgmonitoring.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Ontwerp van een Cyclic Pressure Bioreactor voor de Ex Vivo Studie van Aorta hartkleppen

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Microfluidic Chip Fabrication and Method to Detect Influenza

Microfluïdische chip fabricage en methode om Influenza Detect

Fast  and effective diagnostics play an important role in controlling infectious  disease by enabling effective patient management and treatment. Here, we ...

Aplysia Ganglia Preparation for Electrophysiological and Molecular Analyses of Single Neurons

Aplysia Ganglia Preparation for Electrophysiological and Molecular Analyses of Single Neurons

Aplysia Ganglia voorbereiding voor elektrofysiologische en moleculaire analyses van enkele neuronen

A major challenge in neurobiology is to understand the molecular underpinnings of neural circuitry that govern a specific behavior. Once the specific ...

Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography

Polymere Microneedle Array Fabrication door Fotolithografie

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a ...

Fabrication and Validation of an Organ-on-chip System with Integrated Electrodes to Directly Quantify Transendothelial Electrical Resistance

Fabricage en validatie van een orgel-on-chip systeem met geïntegreerde elektroden te kwantificeren direct signaalcomplexen elektrische weerstand

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful ...

Fabrication of Decellularized Cartilage-derived Matrix Scaffolds

Fabricage van Decellularized kraakbeen afkomstige Matrix steigers

Osteochondral defects lack sufficient intrinsic repair capacity to regenerate functionally sound bone and cartilage tissue. To this extent, cartilage ...

Single-Cell Optical Action Potential Measurement in Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes

Eencellige optische actiepotentiaalmeting in door de mens geïnduceerde pluripotente van stamcellen afgeleide cardiomyocyten

Conventional intracellular microelectrode techniques to quantify cardiomyocyte electrophysiology are extremely complex, labor intensive, and typically ...

Fibroblast Derived Human Engineered Connective Tissue for Screening Applications

Fibroblast afgeleide human engineered bindweefsel voor screeningstoepassingen

Fibroblasts are phenotypically highly dynamic cells, which quickly transdifferentiate into myofibroblasts in response to biochemical and biomechanical ...

Fabrication and Characterization of Layer-By-Layer Janus Base Nano-Matrix to Promote Cartilage Regeneration

Fabricage en karakterisering van laag-voor-laag Janus Base Nano-Matrix om kraakbeenregeneratie te bevorderen

Various biomaterial scaffolds have been developed to guide cell adhesion and proliferation in hopes to promote specific functions for in vitro and in vivo ...

Setup of Consumer Wearable Devices for Exposure and Health Monitoring in Population Studies

Opzetten van draagbare consumentenapparaten voor blootstelling en gezondheidsmonitoring in bevolkingsstudies

Wearable sensors, which are often embedded in commercial smartwatches, allow for continuous and non-invasive health measurements and exposure assessments ...