Een eenvoudige en schaalbare Fabrication Methode voor biologisch Electronic Devices on Textiles
13 maart 2017
In deze paper presenteren we een protocol om organische materialen op textiel, die zorgt voor de directe integratie van organische elektronische apparaten met wearables selectief deponeren. De gefabriceerde apparaten kunnen volledig worden geïntegreerd in textiel, met respect voor hun mechanische uiterlijk en het mogelijk maken sensing mogelijkheden.
Het algemene doel van deze patroonprocedure is om selectief organische elektroactieve materialen op textiel af te zetten, wat de fabricage van draagbare organische elektronische apparaten direct op kleding mogelijk maakt. Deze methode kan helpen om een belangrijke vraag op het gebied van draagbare elektronica te beantwoorden, met name hoe elektronica naadloos met kleding kan worden geïntegreerd om efficiënt met het menselijk lichaam te communiceren. Het belangrijkste voordeel van deze techniek komt voort uit het elastische vermogen van textiel, wat het mogelijk maakt om deze textiel comfortabel in nauwe contact met de huid te dragen.
Eerst een idee van deze methode. Toen we op zoek waren naar een niet-traditionele manier om organische elektronica te combineren met een textielplatform op een kosteneffectieve en industriële schaalbare manier. Deze techniek werd geïnspireerd door de oude Japanse kimono-kleurtechniek, die we aanpasten voor de microfabricagetools en -omgeving van vandaag.
Om de procedure te beginnen, gebruik een lasersnijder om een vooraf ontworpen elektrodepatroon in een polyamideplaat van 125 micrometer dik uit te snijden om een masker te vormen. Neem vervolgens een 300 micrometer dikke laag 100% interlock gebreid polyesterweefsel met een rekvermogen in breidrichting tot 50%. Bevestig dit aan een vlakke, draagbare oppervlakte. Gebruik in een afzuigkap een automatische tapecastingtool om het polyamidemasker te coaten met een polydimethylsiloxaanformulering met een snelheid van zes meter per minuut tot een natte filmdikte van 200 micrometer.
Plaats het weefsel voorzichtig op het PDMS-gecoate masker en laat het PDMS 10 minuten worden geabsorbeerd in de textielstructuur. Anneel de PDMS gedurende 10 minuten op 100 graden Celsius of gedurende 20 minuten op 60 graden Celsius voor warmtegevoelige stoffen. Meng in een afzuigkap 80 milliliter PEDOT:PSS-dispersie, 20 milliliter ethyleenglycol, 40 microliter 4-dodecylbenzeensulfonzuur en één milliliter 3-propylmethacrylaat.
Breng het mengsel vervolgens aan om te roeren op een magnetische roerder. Beschilder de PEDOT:PSS-menging met een kwastje over het gemaskerde weefsel totdat het elektrodepatroon is bedekt met ongeveer één milliliter van het mengsel per vierkante centimeter en uniform van kleur lijkt. De kwastbeschilderingsstap van PEDOT:PSS is de cruciale stap.
De bladweerstand van het patroon moet ongeveer 230 ohm vierkant zijn. Verwijder vervolgens het polyamidemasker en verhard het elektrodepatroon gedurende één uur op 110 graden Celsius of gedurende twee uur op 60 graden Celsius voor warmtegevoelige stoffen. Om cutane elektroden van PEDOT:PSS-elektroden op textiel te fabriceren, bereid eerst een gelmengsel voor dat uit 60% ionische vloeistof, 35% verbindingsmiddel en 5% foto-initiator bestaat.
Bedek in een afzuigkap de elektroden met 20 microliter per vierkante centimeter van de ionische vloeistof en voeg vervolgens 25 microliter per vierkante centimeter van het gelmengsel toe door druppelen. Stel de beklede elektroden bloot aan 365-nanometer UV-licht gedurende 10 tot 15 minuten om de gel te verstevigen en de cutane elektroden te vormen. Om capacitieve sensoren van PEDOT:PSS-elektroden op textiel te fabriceren, breng in een afzuigkap 10 tot één PDMS-formulering aan op het weefsel.
Gebruik een schraper om de PDMS-formulering gelijkmatig over de elektroden te verspreiden om eventueel overtollig materiaal te verwijderen. Anneel de isolerende laag van de PDMS tot maximaal 100 graden Celsius gedurende ten minste 10 minuten, afhankelijk van de warmtetolerantie van het weefsel, om de capacitieve sensoren te vormen. Met behulp van deze methode werden PEDOT:PSS-elektroden op gebreid en geweven textiel gepatronneer.
De patroonresolutie van gebreid polyester is groter dan één millimeter. Nauwere resoluties kunnen worden verkregen op stevig gebreid of geweven textiel. De elektroden gepatronneer op gebreid textiel functioneren als stretchsensoren zonder verdere wijzigingen.
Wanneer het weefsel wordt uitgerekt, resulteert het draaien van de geleidende vezels in een verandering van de resistiviteit. Een organische elektrochemische transistorarray werd gepatronneer op een geweven nylonlint, een draagbare zweetsensor, ook zonder verdere wijzigingen. De toevoeging van een ionische vloeistof in gel maakte het mogelijk dat de elektroden functioneerden als draagbare cutane elektroden voor elektrofysiologisch monitoring.
Alternatief, de toevoeging van een isolerende PDMS-laag creëerde condensatorsensoren. Het aanraken van de elektroden veroorzaakt een verandering in de capaciteit, waardoor het mogelijk is om een draagbaar toetsenbord te fabriceren. De combinatie van nauwsluitend textiel met organische en zachte elektroden biedt een verbeterde communicatiekanaal met het menselijk lichaam in vergelijking met de traditionele solid-state elektronische apparatuur.
Deze methode maakt de toekomstige aanpassing van bestaande kledingstukken met de slimme elektronische apparaten mogelijk. Echter, een van de kritische en in sommige gevallen beperkende punten van deze technologie is dat materialen, de duurzaamheid van organische materialen en draagbare omstandigheden.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een nieuw protocol voor het selectief deponeren van organische elektroactieve materialen op textiel, wat de integratie van draagbare organische elektronische apparaten direct in kleding mogelijk maakt. Deze methode verbetert de interactie tussen elektronica en het menselijk lichaam terwijl comfort en mechanische integriteit behouden blijven.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Draagbare elektronica
- Organische elektronica
- Textieltechniek
Achtergrond
- Integratie van elektronica met textiel is een grote uitdaging in draagbare technologie.
- Traditionele methoden compromitteren vaak het comfort en de esthetiek van kleding.
- Deze techniek put inspiratie uit historische textielpraktijken.
- Het doel is om een kosteneffectieve en schaalbare oplossing voor draagbare apparaten te creëren.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor naadloze integratie van organische elektronica in textiel.
- Om de functionaliteit van kleding te verbeteren door middel van ingebedde sensorcapaciteiten.
- Om een niet-traditionele benadering te verkennen voor het combineren van elektronica met textiel.
Gebruikte methoden
- Aanpassing van traditionele kimono-verftechnieken voor moderne microfabricage.
- Selectieve deponering van organische materialen op textielsubstraten.
- Evaluatie van de mechanische eigenschappen van de geïntegreerde textielen.
- Testen van het comfort en de draagbaarheid van de eindproducten.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle integratie van organische elektronische apparaten in textiel.
- Behoud van de mechanische uitstraling en het comfort van de textielen.
- Nieuwe sensorcapaciteiten mogelijk gemaakt in draagbare toepassingen.
- Aangetoond schaalbaarheid en kosteneffectiviteit van de methode.
Conclusies
- Deze methode vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in draagbare elektronica.
- Het biedt een raamwerk voor toekomstig onderzoek in textiel-geïntegreerde apparaten.
- De benadering kan leiden tot efficiëntere interacties tussen technologie en het menselijk lichaam.
Veelgestelde vragen
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.
