Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien
13. März 2017
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll selektiv organische Materialien auf Textilien zu deponieren, die für die direkte Integration von organischen elektronischen Vorrichtungen mit Wearables erlaubt. Die hergestellten Geräte können vollständig in Textilien integriert werden, deren mechanische Erscheinungsbild zu respektieren und ermöglicht Sensorfunktionen.
Das übergeordnete Ziel dieses Strukturierungsverfahrens besteht darin, organische elektroaktive Materialien gezielt auf Textilien abzuscheiden, wodurch die Herstellung tragbarer organischer elektronischer Bauelemente direkt auf Kleidung ermöglicht wird. Diese Methode kann dazu beitragen, eine zentrale Fragestellung im Bereich der tragbaren Elektronik zu beantworten, insbesondere wie Elektronik nahtlos mit Kleidung integriert werden kann, um effizient mit dem menschlichen Körper zu interagieren. Der Hauptvorteil dieser Technik ergibt sich aus der elastischen Beschaffenheit der Textilien, die es ermöglicht, diese bequem in engem Kontakt mit der Haut zu tragen.
Zunächst eine Idee zu dieser Methode. Wenn wir nach einer nicht traditionellen Möglichkeit suchen, organische Elektronik auf kostengünstige und industriell skalierbare Weise mit textilen Plattformen zu kombinieren. Diese Technik wurde von einer alten japanischen Kimono-Färbe-Technik inspiriert, die wir für heutige Mikrofertigungswerkzeuge und -umgebungen angepasst haben.
Um das Verfahren zu beginnen, verwenden Sie einen Laserschneider, um ein vordefiniertes Elektrodenmuster in ein 125 µm dickes Polyamidblatt zu schneiden, um eine Maske zu formen. Befestigen Sie anschließend ein 300 µm dickes Gewebe aus 100 % Interlock-Strickpolyester mit einer Dehnbarkeit in Strickrichtung von bis zu 50 % auf einer flachen, tragbaren Oberfläche. Tragen Sie in einer Abzugshaube mit einem automatischen Streichmaschinenwerkzeug eine Polydimethylsiloxan-Formulierung mit einer Geschwindigkeit von sechs Metern pro Minute auf die Polyamidmaske auf, wobei eine nasse Schichtdicke von 200 µm erreicht wird.
Legen Sie das Gewebe vorsichtig auf die mit PDMS beschichtete Maske und lassen Sie das PDMS 10 Minuten lang in die Textilstruktur eindringen. Heizen Sie das PDMS zur Aushärtung 10 Minuten lang bei 100 Grad Celsius oder 20 Minuten lang bei 60 Grad Celsius für wärmeempfindliche Stoffe. Mischen Sie im Abzug 80 Milliliter PEDOT:PSS-Dispersion, 20 Milliliter Ethylenglykol, 40 Mikroliter 4-Dodecylbenzolsulfonsäure und ein Milliliter 3-Propylmethacrylat.
Danach die Mischung auf einen Magnetrührer stellen und rühren lassen. Die PEDOT:PSS-Mischung mit einem Pinsel auf das maskierte Gewebe auftragen, bis das Elektrodenmuster mit etwa einem Milliliter der Mischung pro Quadratzentimeter bedeckt ist und farblich gleichmäßig erscheint. Der Schritt der Pinselbeschichtung mit PEDOT:PSS ist der kritische Schritt.
Der Flächenwiderstand des Musters sollte etwa 230 Ohm pro Quadrat betragen. Entfernen Sie die Polyamidmaske und härten Sie das Elektrodenmuster anschließend eine Stunde lang bei 110 Grad Celsius oder zwei Stunden lang bei 60 Grad Celsius für wärmesensible Stoffe aus. Um kutane Elektroden aus PEDOT:PSS-Elektroden auf Textilien herzustellen, bereiten Sie zunächst eine Gelmischung bestehend aus 60 % Volumen ionisches Liquid, 35 % Vernetzungsmittel und 5 % Photoinitiator vor.
Beziehen Sie in einer Abzugshaube die Elektroden mit 20 Mikrolitern pro Quadratzentimeter der ionischen Flüssigkeit und geben Sie anschließend 25 Mikroliter pro Quadratzentimeter der Gel-Mischung durch Tropfenguss hinzu. Belichten Sie die beschichteten Elektroden 10 bis 15 Minuten lang mit 365-Nanometer-UV-Licht, um das Gel zu verfestigen und die kutanen Elektroden herzustellen. Um kapazitive Sensoren aus PEDOT:PSS-Elektroden auf Textilien herzustellen, tragen Sie in einer Abzugshaube 10 bis eins der PDMS-Formulierung auf das Gewebe auf.
Verwenden Sie einen Rakel, um die PDMS-Formulierung gleichmäßig über die Elektroden zu verteilen und überschüssiges Material zu entfernen. Heizen Sie die isolierende PDMS-Schicht je nach Wärmebeständigkeit des Gewebes bis zu 100 Grad Celsius für mindestens 10 Minuten aus, um die kapazitiven Sensoren zu bilden. Mit dieser Methode wurden PEDOT:PSS-Elektroden auf gestrickten und gewebten Textilien strukturiert.
Die Strukturauflösung von gestricktem Polyester liegt über einem Millimeter. Engere Auflösungen können auf dicht gestrickten oder gewebten Textilien erreicht werden. Die auf gestrickte Textilien aufgebrachten Elektroden fungieren ohne weitere Modifikationen als Dehnungssensoren.
Wenn das Gewebe gedehnt wird, führt die Verdrillung der leitfähigen Fasern zu einer Änderung der Resistivität. Ein Array aus organischen elektrochemischen Transistoren wurde auf ein gewebtes Nylonband aufgebracht, einen tragbaren Schweißsensor, ebenfalls ohne weitere Modifikationen. Durch die Zugabe einer ionischen Flüssigkeit in Gelform konnten die Elektroden als tragbare kutane Elektroden zur elektrophysiologischen Überwachung fungieren.
Alternativ ermöglichte die Hinzufügung einer isolierenden PDMS-Schicht die Herstellung von Kondensatorsensoren. Das Berühren der Elektroden bewirkt eine Kapazitätsänderung, wodurch die Fertigung einer tragbaren Tastatur ermöglicht wird. Die Kombination von eng anliegenden Textilien mit organischen und weichen Elektroden bietet im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Festkörpervorrichtungen einen verbesserten Kommunikationskanal mit dem menschlichen Körper.
Diese Methode ermöglicht die zukünftige Anpassung bestehender Kleidungsstücke mit intelligenten elektronischen Geräten. Ein kritischer und in einigen Fällen limitierender Aspekt dieser Technologie sind jedoch die Materialien, die Haltbarkeit organischer Materialien und die Bedingungen für die Tragbarkeit.
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Übersicht
Diese Studie stellt ein neuartiges Protokoll zur selektiven Abscheidung organischer elektroaktiver Materialien auf Textilien vor, das die Integration tragbarer organischer elektronischer Bauelemente direkt in die Kleidung ermöglicht. Diese Methode verbessert die Wechselwirkung zwischen Elektronik und menschlichem Körper, während gleichzeitig der Tragekomfort und die mechanische Integrität erhalten bleiben.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Tragbare Elektronik
- Organische Elektronik
- Textiltechnik
Hintergrund
- Die Integration von Elektronik in Textilien stellt eine zentrale Herausforderung in der tragbaren Technologie dar.
- Herkömmliche Methoden beeinträchtigen oft den Tragekomfort und die Ästhetik der Kleidung.
- Dieses Verfahren orientiert sich an historischen textilen Praktiken.
- Es zielt darauf ab, eine kostengünstige und skalierbare Lösung für tragbare Geräte zu schaffen.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer Methode zur nahtlosen Integration organischer Elektronik in Textilien.
- Verbesserung der Funktionalität von Bekleidung durch eingebettete Sensortechnologien.
- Erkundung eines nicht traditionellen Ansatzes zur Kombination von Elektronik mit Textilien.
Verwendete Methoden
- Anpassung traditioneller Kimono-Färbeverfahren für die moderne Mikrofertigung.
- Gezielte Abscheidung organischer Materialien auf Textilsubstraten.
- Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der integrierten Textilien.
- Prüfung des Tragekomforts und der Benutzbarkeit der Endprodukte.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Integration organischer elektronischer Bauelemente in Textilien.
- Beibehaltung des mechanischen Aussehens und Tragekomforts der Textilien.
- Ermöglichung neuer Sensorkapazitäten in tragbaren Anwendungen.
- Nachweis der Skalierbarkeit und Kosteneffizienz der Methode.
Schlussfolgerungen
- Diese Methode stellt einen bedeutenden Fortschritt in der tragbaren Elektronik dar.
- Sie bietet einen Rahmen für zukünftige Forschung im Bereich textilintegrierter Geräte.
- Der Ansatz kann zu effizienteren Wechselwirkungen zwischen Technologie und menschlichem Körper führen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht die skalierbare Integration organischer Elektronik in Textilien und löst damit eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung tragbarer Geräte: die Herstellung nahtloser Schnittstellen zwischen Elektronik und Textil, ohne Komfort oder mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen. Durch die Anpassung historischer Musterungstechniken an moderne Mikrofertigungsverfahren bietet sie einen kosteneffizienten Ansatz zur direkten Herstellung tragbarer Sensoren und Elektroden auf Kleidung. Dies unterstützt die frühe Entdeckung biointegrierter Systeme, bei denen mechanische Anpassungsfähigkeit und die Akzeptanz durch den Nutzer entscheidend für die Datenqualität und die Langzeitüberwachung sind.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Erfassung physiologischer Signale mithilfe formangepasster, in Textilien integrierter Elektroden, die während der Bewegung einen Hautkontakt aufrechterhalten.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Hypothesenprüfung in ambulanten Umgebungen, indem die natürliche Biomechanik während der Datenerfassung erhalten bleibt.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet standardisierte, strukturierte organische elektronische Plattformen für die zuverlässige Erfassung von Biomarkersignalen von physiologischen Oberflächen.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Reproduzierbarkeit von Assays durch skalierbare, maskenbasierte Abscheidung und eine gleichmäßige Materialbeschichtung auf Textilsubstraten.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützt die translationale Biomarkervalidierung, indem kontinuierliche, nicht-invasive Überwachung unter physiologisch relevanten, frei lebenden Bedingungen ermöglicht wird.
- Operationaler Wert: Verbindet Entdeckungs- und präklinische Arbeitsabläufe durch tragbare Formate, die stressbedingte Artefakte in tierischen und humanen Studien reduzieren.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in den Entdeckungsprozess von der frühen biologischen Hypothesenprüfung bis zur präklinischen Validierung ein, insbesondere für Anwendungen, die eine longitudinale, ambulante physiologische Überwachung erfordern, bei der die Stabilität der Elektroden-Gewebe-Schnittstelle von größter Bedeutung ist.
- Entdeckungsbiologie: Ermöglicht die mechanische und elektrische Kopplung mit biologischen Systemen mithilfe dehnbarer, der Haut angepasster Elektroden, die die Signalintegrität während dynamischer Bewegungen aufrechterhalten.
- Screening: Liefert quantitative, auf Resistivität basierende Messwerte von in Textilien integrierten Sensoren, die auf physiologische Belastung reagieren, und unterstützt somit die vergleichende Analyse von Zuständen.
- Analytik: Erzeugt messbare Änderungen der elektrischen Widerstände und Kapazitäten, die mit physiologischen Zuständen korrelieren, und ermöglicht statistische Vergleiche zwischen experimentellen Gruppen.
- Translationale Forschung: Unterstützt die Kontinuität hin zu präklinischen Studien, indem identische tragbare Formate über verschiedene Modellsysteme hinweg verwendet werden können, wodurch translationale Variabilität verringert wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Stellt eine Plattformfunktion dar, die für die mehrfache Nutzung in verschiedenen Entdeckungsprogrammen geeignet ist, die konforme, tragbare Bio-Schnittstellen erfordern.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert die Vorhersagesicherheit, indem die mechanische Unstimmigkeit zwischen Sensor und Gewebe verringert und Bewegungsartefakte in ambulant gewonnenen Daten minimiert werden.
- Operationaler Wert: Gewährleistet Standardisierung und Skalierbarkeit durch maskendefinierte Strukturierung und lösungsbasierte Abscheidung, die mit Rolle-zu-Rolle-Textilverarbeitung kompatibel ist.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch, indem eine frühe Beurteilung des Target-Engagements unter realitätsnahen Nutzungsbedingungen ermöglicht wird, wodurch späte Fehlschläge aufgrund mangelnder Compliance reduziert werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem die Modulation des Targets in physiologisch relevanten, tragbaren Formaten validiert wird, bevor auf invasive oder sperrige Alternativen zurückgegriffen wird.
Umsetzungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in organischer Elektronik, Textilhandhabung und Mikrostrukturierungstechniken einschließlich Laserschneiden und Bandgießen.
- Benötigt Zugang zu Abzügen, Magnetrührern, UV-Härtungsgeräten und thermischen Temperieranlagen für die Materialverarbeitung.
- Setzt eine standardisierte Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern, Textilingenieuren und Biologen voraus, um eine konsistente Elektrodenleistung über verschiedene Stoffarten hinweg sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen hinsichtlich unterschiedlicher Textildehnung, Dicke und Hydrophobizität, die die PDMS-Absorption und Materialadhäsion beeinflussen.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehört die Langzeitstabilität organischer elektroaktiver Materialien unter wiederholtem Waschen, Dehnen und Umwelteinflüssen, wie in der Quelle angegeben.
