适形可穿戴电极:从制造到电生理评估
July 22nd, 2022
最近的两项技术 - 纹身和纺织品 - 已经在皮肤感应方面显示出有希望的结果。在这里，我们介绍了用于皮肤电生理传感的纹身和纺织电极的制造和评估方法。这些由导电聚合物制成的电子接口在舒适性和灵敏度方面优于现有标准。
可穿戴电子设备是当今人体信号监测的关键参与者。需要开发适形的皮肤接口，以提供高信号分辨率和皮肤传感器的长期运行。在这里，我们将介绍如何轻松制造，表征和使用触觉和软纺织电极作为可穿戴有机电子传感器。
为了验证我们制造的传感器的性能，我们应用便携式电子系统来记录来自人体的各种电生理信号。我们提出了多种配置，以简单地在实验室中记录各种生理信号。以下方案已被用于在商业柔性基材上制造电极，例如纹身纸和纺织品。
商业纹身纸套件也与胶片一起提供。纹身纸具有分层结构，包括支撑纸片，水溶性聚乙烯醇层，可释放聚氨酯膜和最顶层的PVA层。要制造可穿戴传感器，请从切割感兴趣的子集开始。
将子集放在打印机板上，用胶带粘住其边框以保持其平坦。然后，在过滤打印机墨盒后，用PWSs商用墨水填充打印机墨盒。这是导电聚合物的精确分散。
然后在基材上打印您的设计。对于纹身纸和纺织品，它们具有较高的表面能，在打印参数中设置地址间距在15或20微米左右。之后，电极在烘箱中以110摄氏度干燥15分钟，完成溶剂蒸发。
最终印刷的传感器在纹身纸，织物，PET和可拉伸纺织品上应如下所示。要制造到位置系统的外部连接器，请切割一块矩形的超薄基板，例如PEN。在其上打印一个矩形设计，带有三个PWS层。
将超薄互连层压到两个电极上。在纹身纸胶片上切一个洞。将这一切都与纹身PWSs电极的信号传感部分对齐。
在 PEN 互连的自由端上添加一块聚合物胶带。要转移纹身电极，请取下胶水衬垫。将纹身放在皮肤的所需部分。
蘸湿背部支撑纸，使纹身保持在适当位置。一旦背面支撑纸被浸泡，滑动它以将其取出，只留下可转移超薄薄膜的电极端在皮肤上。然后，将扁平笔触点插入外部采集单元。
要使用电化学阻抗谱表征制备的电极，请进行人体测量。首先，确保志愿者舒适地坐着，手臂放在桌子上休息。然后将一个电极放在皮肤上，并将其连接到工作感应对的电位启动。
然后将另一个电极与第一个电极分开三厘米，并将其连接到对电极上。最后，将第三个电极放在肘部并将其连接到参比电极电缆上。然后从潜在的开始开始测量。
在计数器和工作电极之间施加电流，并测量基准电压源和传感对之间的电位变化。请注意，在每个频率下计算的输出阻抗由两个贡献组成。皮肤阻抗，和皮肤电极接触阻抗。
以下部分描述了每个感兴趣的生物信号的阶梯放置。使用市售C-左电极和C-右电极进行电视觉物品监测的一个例子。对于心电图，请调整具有三个电极的配置，其中一个用作接地。
对于大脑电活动，EEG，将电极放在前额和外耳周围。对于电沉积活性测量，EDA，将两个电极放在左手的顶部。然后在受试者休息或进行体育锻炼时进行录制。
为了表征电极的性能，我们报告了纺织电极的代表性阻抗。纺织电极的阻抗略高于CI烧结右标准电极， 但阻抗相当.阻抗模型的形状表明，在纺织电极的情况下，电阻行为略高。
然而，标准CI烧结右转显示出典型的电阻容量行为。通过将电极放置在不同身体部位的皮肤上，我们可以访问多个生物信号。脑电图示踪取代了活动神经元群体的电活动记录。
脑电波的基本组之一是8到13赫兹之间的阿尔法。阿尔法波反映了大脑在放松时的状态，可以通过要求受试者闭上眼睛来诱导。灰色的垂直虚线标志着录音中志愿者被要求睁开眼睛的时刻。
心电图示踪显示心脏心房和心室的极化和极化，由 P 波、IQRS 波群和 T 波组成的特征模式表示。R峰值显示最高振幅，用于通过考虑两个连续波峰之间的时间来计算心率。我们记录了肌电图追踪，同时志愿者逐渐增加了R肌的力量。
增强的肌肉活动通过电压峰值的幅度增加来量化。在肌电图示踪中，在10至千赫兹的频率范围内，振幅从几微伏到几微伏的尖峰反映了由运动单元动作电位驱动的高活动肌肉。EDA 跟踪通常由补品和模糊组件组成。
强直分量反映皮肤电导水平并对应于背景信号。模糊分量反映了受试者对特定刺激的反应，并且可以通过皮肤电导值的变化来检测。这种追踪用于评估人体压力水平和身体水合作用。
通过我们的方案，我们获得了柔软舒适的皮肤传感器，以在通常柔软的细胞直上绘制导电油墨的图案。印刷是一种局部和可扩展的技术，从传统的微电子制造工艺中脱颖而出。该方法描述了如何获取从弱神经活动到高功率肌肉收缩的电信号。
该信号允许进入用户体内的生理状态。作为一个角色，我们提出了无缝语言设备在各种医疗应用中的可行性的第一步，这些应用已经从健身转向医疗保健监控。
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概览
本文讨论了用于皮肤电生理传感的纹身和纺织电极的制作和评估。这些可穿戴的有机电子传感器旨在为监测人体信号提供高信号分辨率和舒适性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物医学工程
- 可穿戴技术
背景
- 可穿戴电子设备对于监测生理信号至关重要。
- 适应皮肤的界面提高了皮肤传感器的性能。
- 现有技术需要在舒适性和灵敏度方面得到改进。
- 导电聚合物用于这些传感器的制作。
研究目的
- 提出制造触觉和柔软纺织电极的方法。
- 评估这些电极在记录电生理信号方面的性能。
- 提出用于简单的实验室生理信号记录的配置。
使用的方法
- 在纹身纸和纺织品等柔性基底上制作电极。
- 对电极进行性能评估的表征。
- 使用便携式电子系统进行信号记录。
- 应用不同配置记录不同的生理信号。
主要结果
- 制作的电极表现出高灵敏度和舒适性。
- 成功记录了来自人体的各种电生理信号。
- 证明了所提出的配置在实验室环境中的有效性。
- 导电聚合物在皮肤传感方面超过了现有标准。
结论
- 该研究突出了纹身和纺织电极在可穿戴技术中的潜力。
- 这些传感器可以显著改善人体信号监测。
- 未来的工作可能集中在进一步提高这些界面的性能和应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Conformable wearable electrodes address the critical need for high-fidelity, long-duration electrophysiological monitoring in decentralized clinical trials and remote patient monitoring. By enabling reliable signal acquisition from skin-interfaced sensors, this method supports early-phase target validation and mechanistic de-risking in neuroscience and cardiovascular discovery programs. The scalable fabrication approach using PEDOT:PSS on off-the-shelf substrates facilitates integration into discovery workflows requiring reproducible, quantitative biosignal readouts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantitative measurement of neurogenic, cardiac, and muscular activity in human models.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing reproducible electrophysiological readouts that clarify target engagement and pathway modulation.
- Predictive Value: Generates translational biomarker data (e.g., EEG alpha rhythms, ECG R-wave intervals) to inform portfolio triage and lead selection.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces standardized, low-impedance cutaneous interfaces suitable for high-throughput electrophysiological screening in discovery settings.
- Quantitative Output: Delivers impedance spectroscopy and time-domain signal metrics that enable assay standardization and inter-lab comparability.
- Platform Scalability: Leverages inkjet printing on flexible substrates to support reproducible electrode fabrication across multiple model systems and screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Facilitates continuous monitoring of EEG, ECG, EMG, and EDA in preclinical models to align with clinical endpoints.
- Mechanistic De-risking: Provides objective, quantifiable electrophysiological endpoints to reduce uncertainty in target mechanism validation.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical stages by enabling consistent signal acquisition from ex vivo to in vivo systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, particularly for indications involving neuromodulation, cardiac safety, or stress-response biomarkers.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via quantitative biosignal acquisition that clarifies functional target activity in human-derived systems.
- Screening: Enables assay-ready electrode fabrication with reproducible impedance profiles for reliable compound effect detection.
- Analytics: Generates time-series and frequency-domain electrophysiological data (e.g., power spectra, peak amplitudes) for comparative condition analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker-driven advancement by capturing clinically relevant signals such as heart rate variability and skin conductance responses.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable fabrication and characterization platform adaptable across therapeutic areas and discovery sites.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence through high-fidelity, conformal electrophysiological recordings that reduce mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable sensor fabrication with quantifiable impedance and signal-to-noise performance.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing objective, quantitative biosignal data early in the discovery pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization via translatable electrophysiological endpoints linked to clinical outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic electronics, skin-electrode interface design, and biosignal acquisition.
- Needs access to inkjet printing equipment, impedance spectroscopy systems, and biopotential amplifiers.
- Demands standardization of skin preparation, electrode placement, and signal conditioning protocols across teams.
- Involves adaptation considerations for varying skin properties, substrate flexibility, and long-term wearability.
- Limited by signal attenuation in high-motion environments and the need for validation against clinical gold standards.
