关于纺织品有机电子设备的简单和可扩展的制作方法
2017年3月13日
在本文中，我们提出了一个协议，以选择性地沉积在纺织品上的有机材料，允许直接集成与身打扮有机电子器件。在制造的器件可以完全集成在纺织品，尊重他们的机械外观，使感应功能。
这种图案化程序的总体目标是选择性地将有机电活性材料沉积在纺织品上，从而能够直接在服装上制造可穿戴有机电子设备。这种方法可以帮助回答可穿戴电子领域的一个关键问题，尤其是如何将电子产品与服装无缝集成以与人体高效交互。这种技术的主要优点源于纺织品的弹性能力，这使得这种纺织品在与皮肤紧密接触时可以舒适地穿着。
首先是这种方法的想法。当我们寻找一种非传统方式，以经济高效且行业可扩展的方式将有机电子与纺织品平台相结合时。这项技术的灵感来自古老的日本和服染色技术，我们将其应用于当今的微制造工具和环境。
首先，使用激光切割机将预先设计的电极图案切割成 125 微米厚的聚酰胺片，以形成掩模。然后取一张 300 微米厚的 100% 联锁针织涤纶织物，针织方向拉伸能力高达 50%将其固定在平坦、便携的表面上。在通风橱中，使用自动胶带流延工具以每分钟 6 米的速度在聚酰胺掩模上涂覆聚二甲基硅氧烷配方，湿膜厚度为 200 微米。
将织物轻轻地放在涂有 PDMS 的口罩上，让 PDMS 被织物结构吸收 10 分钟。对于热敏织物，将 PDMS 在 100 摄氏度下退火 10 分钟，或在 60 摄氏度下退火 20 分钟。在通风橱中，将 80 毫升 PEDOT：PSS 分散体、20 毫升乙二醇、40 微升 4-十二烷基苯磺酸和 1 毫升 3-甲基丙烯酸丙酯混合在一起。
然后将混合物放在磁力搅拌器上搅拌。将 PEDOT：PSS 混合物刷涂在遮蔽织物上，直到电极图案涂有每平方厘米约 1 毫升的混合物，并且看起来颜色均匀。PEDOT：PSS 的刷涂步骤是关键步骤。
图案的薄层电阻需要约为 230 欧姆平方。取下聚酰胺掩膜，然后在 110 摄氏度下固化电极图案 1 小时，或在 60 摄氏度下固化热敏织物 2 小时。要在纺织品上用 PEDOT：PSS 电极制造皮肤电极，首先制备由 60% 体积离子液体、35% 交联剂和 5% 光引发剂组成的凝胶混合物。
在通风橱中，用每平方厘米 20 微升的离子液体涂覆电极，然后通过滴铸添加每平方厘米 25 微升的凝胶混合物。将涂布的电极暴露在 365 纳米紫外光下 10 到 15 分钟，以使凝胶凝固并形成皮肤电极。要在纺织品上用 PEDOT：PSS 电极制造电容式传感器，请在通风橱中将 10 比 1 PDMS 配方应用于织物。
使用刮刀将 PDMS 配方均匀地涂抹在电极上，以去除任何多余的部分。根据织物的耐热性，将 PDMS 的绝缘层在高达 100 摄氏度的温度下退火至少 10 分钟，以形成电容式传感器。使用这种方法，在针织和机织纺织品上对 PEDOT：PSS 电极进行图案化。
针织涤纶的图案分辨率大于 1 毫米。在紧密编织或机织的纺织品上可以获得较窄的分辨率。针织物上的电极用作拉伸传感器，无需进一步修改。
当织物被拉伸时，导电纤维的扭曲会导致电阻率发生变化。有机电化学晶体管阵列被图案化到编织尼龙带上，这是一种可穿戴的汗液传感器，也没有进一步的修改。在凝胶中添加离子液体使电极能够用作可穿戴皮肤电极，用于电生理监测。
或者，添加绝缘 PDMS 层创建了电容传感器。触摸电极会导致电容变化，从而可以制造可穿戴键盘。与传统的固态电子设备相比，紧密贴合的纺织品与有机电极和软电极的结合提供了更好的与人体的交流渠道。
这种方法允许将来使用智能电子设备定制现有服装。然而，这项技术的关键点之一，在某些情况下是限制点是材料、有机材料的耐用性和可穿戴条件。
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概述
本研究提出了一种新颖的协议，用于选择性地在纺织品上沉积有机电活性材料，从而促进可穿戴有机电子设备直接集成到服装中。该方法在保持舒适性和机械完整性的同时，增强了电子设备与人体之间的交互。
关键研究组成部分
科学领域
- 可穿戴电子
- 有机电子
- 纺织工程
背景
- 将电子设备与纺织品集成是可穿戴技术的一个关键挑战。
- 传统方法往往会影响服装的舒适性和美观性。
- 这种技术汲取了历史纺织实践的灵感。
- 它旨在为可穿戴设备创造一个具有成本效益和可扩展性的解决方案。
研究目的
- 开发一种方法，将有机电子无缝集成到纺织品中。
- 通过嵌入式感应能力提升服装的功能性。
- 探索一种非传统的方法来结合电子设备与纺织品。
使用的方法
- 适应传统和服染技术以用于现代微制造。
- 在纺织基底上选择性沉积有机材料。
- 评估集成纺织品的机械性能。
- 测试最终产品的舒适性和可穿戴性。
主要结果
- 成功地将有机电子设备集成到纺织品中。
- 保持了纺织品的机械外观和舒适性。
- 在可穿戴应用中实现了新的感应能力。
- 证明了该方法的可扩展性和成本效益。
结论
- 这种方法在可穿戴电子领域代表了重大进步。
- 它为未来的纺织品集成设备研究提供了一个框架。
- 这种方法可以导致技术与人体之间更高效的交互。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables scalable integration of organic electronics into textiles, addressing a key challenge in wearable device development: achieving seamless electronic-textile interfaces without compromising comfort or mechanical properties. By adapting historical patterning techniques for modern micro-fabrication, it offers a cost-effective pathway for producing wearable sensors and electrodes directly on clothing. This supports early-stage discovery of bio-integrated systems where mechanical conformity and user compliance are critical for data fidelity and longitudinal monitoring.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of physiological signals through conformal textile-integrated electrodes that maintain skin contact during movement.
- Operational Value: Supports hypothesis testing in ambulatory settings by preserving natural biomechanics during data collection.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides standardized, patterned organic electronic platforms for reliable biomarker signal acquisition from physiological surfaces.
- Operational Value: Facilitates assay reproducibility through scalable mask-based deposition and uniform material coating across textile substrates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational biomarker validation by enabling continuous, non-invasive monitoring in physiologically relevant, free-living conditions.
- Operational Value: Bridges discovery and preclinical workflows via wearable formats that reduce stress-induced artifacts in animal and human studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early biological hypothesis testing to preclinical validation, particularly for applications requiring longitudinal, ambulatory physiological monitoring where electrode-tissue interface stability is paramount.
- Discovery Biology: Enables mechanical and electrical interfacing with biological systems through stretchable, skin-conformal electrodes that maintain signal integrity during dynamic movement.
- Screening: Delivers quantitative, resistivity-based readouts from textile-integrated sensors that respond to physiological strain, supporting comparative condition analysis.
- Analytics: Generates measurable shifts in electrical resistance and capacitance that correlate with physiological states, enabling statistical comparison across experimental groups.
- Translational Research: Supports continuity to preclinical studies by allowing identical wearable formats to be used across model systems, reducing translational variability.
- Enterprise Reuse: Represents a platform capability for repeated use across multiple discovery programs requiring conformal, wearable bio-interfaces.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing mechanical mismatch between sensor and tissue, minimizing motion artifacts in ambulatory data.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability through mask-defined patterning and solution-based deposition compatible with roll-to-roll textile processing.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early assessment of target engagement in naturalistic use conditions, reducing late-stage failure due to poor compliance.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by validating target modulation in physiologically relevant, wearable formats prior to invasive or bulky alternatives.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic electronics, textile handling, and micro-patterning techniques including laser cutting and tape casting.
- Needs access to fume hoods, magnetic stirrers, UV curing units, and thermal annealing equipment for material processing.
- Demands cross-team standardization between materials scientists, textile engineers, and biologists to ensure consistent electrode performance across fabric types.
- Involves adaptation considerations for varying textile stretch, thickness, and hydrophobicity that affect PDMS absorption and material adhesion.
- Practical limitations include long-term stability of organic electroactive materials under repeated washing, stretching, and environmental exposure as noted in the source.
