Um método de fabricação simples e escalável para dispositivos eletrônicos orgânicos sobre os têxteis
13 de março de 2017
Neste artigo, apresentamos um protocolo para depositar selectivamente materiais orgânicos em têxteis, que permite a integração direta de dispositivos eletrônicos orgânicos com wearables. Os dispositivos fabricados podem ser totalmente integrados nos têxteis, respeitando sua aparência mecânica e permitindo capacidades de detecção.
O objetivo geral deste procedimento de padronização é depositar seletivamente materiais eletroativos orgânicos em tecidos, o que permite a fabricação de dispositivos eletrônicos orgânicos vestíveis diretamente em roupas. Este método pode ajudar a responder uma questão fundamental na área da eletrônica vestível, especialmente como integrar perfeitamente eletrônicos com roupas para interagir de forma eficiente com o corpo humano. A principal vantagem desta técnica decorre da capacidade elástica dos tecidos, que permite usá-los confortavelmente em contato próximo com a pele.
Primeiro, uma ideia geral deste método. Quando buscamos uma forma não tradicional de combinar eletrônicos orgânicos com uma plataforma têxtil de maneira economicamente eficiente e escalável para a indústria. Essa técnica foi inspirada em uma antiga técnica japonesa de tingimento de quimonos, que adaptamos para as ferramentas e o ambiente de microfabricação atuais.
Para iniciar o procedimento, utilize um cortador a laser para cortar um padrão de eletrodo pré-projetado em uma folha de poliamida com 125 micrômetros de espessura, formando uma máscara. Em seguida, fixe uma folha de tecido de poliéster 100% tricô entrelaçado com 300 micrômetros de espessura e capacidade de alongamento na direção do tricô de até 50% sobre uma superfície plana e portátil. Em uma capela de exaustão, utilize uma ferramenta automática de casting em fita para revestir a máscara de poliamida com uma formulação de polidimetilsiloxano a seis metros por minuto, obtendo uma espessura de filme úmido de 200 micrômetros.
Coloque suavemente o tecido sobre a máscara revestida com PDMS e deixe o PDMS ser absorvido pela estrutura têxtil por 10 minutos. Faça a recozimento do PDMS a 100 graus Celsius por 10 minutos ou a 60 graus Celsius por 20 minutos, para tecidos sensíveis ao calor. Na capela de exaustão, misture 80 mililitros de dispersão de PEDOT:PSS, 20 mililitros de etilenoglicol, 40 microlitros de ácido 4-dodecilbenzenossulfônico e um mililitro de 3-propilmetacrilato.
Em seguida, coloque a mistura para agitar em um agitador magnético. Pincele a mistura de PEDOT:PSS sobre o tecido mascarado até que o padrão do eletrodo esteja revestido com cerca de um mililitro da mistura por centímetro quadrado e apresente uma cor uniforme. O passo de revestimento com pincel do PEDOT:PSS é o passo crítico.
A resistência por quadrado do padrão precisa ser de aproximadamente 230 ohm por quadrado. Remova a máscara de poliamida e, em seguida, cure o padrão do eletrodo a 110 graus Celsius por uma hora ou a 60 graus Celsius por duas horas, no caso de tecidos sensíveis ao calor. Para fabricar eletrodos cutâneos a partir de eletrodos de PEDOT:PSS em tecidos, prepare primeiro uma mistura em gel composta por 60% em volume de líquido iônico, 35% de agente reticulante e 5% de fotoiniciador.
Em uma capela de exaustão, recubra os eletrodos com 20 microlitros por centímetro quadrado do líquido iônico e, em seguida, adicione 25 microlitros por centímetro quadrado da mistura de gel por gotejamento. Exponha os eletrodos recobertos à luz UV de 365 nanômetros por 10 a 15 minutos para solidificar o gel e formar os eletrodos cutâneos. Para fabricar sensores capacitivos a partir de eletrodos de PEDOT:PSS em tecidos, em uma capela de exaustão, aplique de 10 a um da formulação de PDMS sobre o tecido.
Use uma espátula de borracha para espalhar uniformemente a formulação de PDMS sobre os eletrodos, removendo qualquer excesso. Anele a camada isolante de PDMS a até 100 graus Celsius por pelo menos 10 minutos, dependendo da tolerância térmica do tecido, para formar os sensores capacitivos. Utilizando este método, eletrodos de PEDOT:PSS foram padronizados em tecidos tricotados e tecidos.
A resolução de padronização do poliéster tricotado é maior que um milímetro. Resoluções mais estreitas podem ser obtidas em tecidos tricotados firmemente ou em tecidos planos. Os eletrodos padronizados em tecidos tricotados funcionam como sensores de alongamento sem modificações adicionais.
Quando o tecido é esticado, a torção das fibras condutoras resulta em uma mudança na resistividade. Uma matriz de transistores eletroquímicos orgânicos foi delineada sobre uma fita de náilon trançada, um sensor de suor utilizável, também sem modificações adicionais. A adição de um líquido iônico em gel permitiu que os eletrodos funcionassem como eletrodos cutâneos utilizáveis para monitoramento eletrofisiológico.
Alternativamente, a adição de uma camada isolante de PDMS criou sensores capacitivos. O toque nos eletrodos provoca uma mudança na capacitância, permitindo a fabricação de um teclado vestível. A combinação de tecidos ajustados com eletrodos orgânicos e macios oferece um canal de comunicação aprimorado com o corpo humano em comparação com o dispositivo eletrônico em estado sólido tradicional.
Este método permite a personalização futura de roupas existentes com dispositivos eletrônicos inteligentes. No entanto, um dos pontos críticos e, em alguns casos, limitantes dessa tecnologia é a durabilidade dos materiais, dos materiais orgânicos e as condições de uso.
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Visão Geral
Este estudo apresenta um protocolo inovador para a deposição seletiva de materiais eletroativos orgânicos em tecidos, facilitando a integração direta de dispositivos eletrônicos orgânicos vestíveis na vestimenta. Este método melhora a interação entre a eletrônica e o corpo humano, mantendo o conforto e a integridade mecânica.
Principais Componentes do Estudo
Área da Ciência
- Eletrônicos vestíveis
- Eletrônicos orgânicos
- Engenharia têxtil
Antecedentes
- A integração de eletrônicos com têxteis é um desafio fundamental na tecnologia vestível.
- Os métodos tradicionais frequentemente comprometem o conforto e a estética das roupas.
- Essa técnica se inspira em práticas têxteis históricas.
- Seu objetivo é criar uma solução econômica e escalável para dispositivos vestíveis.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para a integração contínua de eletrônicos orgânicos em tecidos.
- Aprimorar a funcionalidade de roupas por meio de capacidades de detecção incorporadas.
- Explorar uma abordagem não convencional para combinar eletrônicos com tecidos.
Métodos Utilizados
- Adaptação de técnicas tradicionais de tingimento de quimono para microfabricação moderna.
- Deposição seletiva de materiais orgânicos sobre substratos têxteis.
- Avaliação das propriedades mecânicas dos têxteis integrados.
- Teste do conforto e usabilidade dos produtos finais.
Resultados Principais
- Integração bem-sucedida de dispositivos eletrônicos orgânicos em tecidos.
- Manutenção da aparência mecânica e do conforto dos tecidos.
- Habilitação de novas capacidades de detecção em aplicações vestíveis.
- Demonstração da escalabilidade e custo-efetividade do método.
Conclusões
- Este método representa um avanço significativo na eletrônica vestível.
- Ele fornece uma estrutura para pesquisas futuras em dispositivos integrados a tecidos.
- A abordagem pode levar a interações mais eficientes entre a tecnologia e o corpo humano.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a integração escalonável de eletrônicos orgânicos em têxteis, abordando um desafio fundamental no desenvolvimento de dispositivos vestíveis: alcançar interfaces eletrônico-têxteis contínuas sem comprometer o conforto ou as propriedades mecânicas. Ao adaptar técnicas históricas de padronização para a microfabricação moderna, oferece um caminho economicamente viável para produzir sensores vestíveis e eletrodos diretamente sobre roupas. Isso favorece a descoberta em estágios iniciais de sistemas biointegrados, nos quais a conformidade mecânica e a adesão do usuário são essenciais para a fidelidade dos dados e o monitoramento longitudinal.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de sinais fisiológicos por meio de eletrodos integrados a tecidos conformáveis que mantêm o contato com a pele durante o movimento.
- Valor Operacional: Apoia a verificação de hipóteses em ambientes ambulatoriais ao preservar a biomecânica natural durante a coleta de dados.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Fornece plataformas eletrônicas orgânicas padronizadas e padronizadas para a aquisição confiável de sinais de biomarcadores de superfícies fisiológicas.
- Valor Operacional: Facilita a reprodutibilidade do ensaio por meio de deposição escalonável baseada em máscaras e revestimento uniforme de materiais em substratos têxteis.
Pesquisa Translacional e Pré-Clinica
- Valor Científico: Apoia a validação translacional de biomarcadores ao permitir o monitoramento contínuo e não invasivo em condições fisiologicamente relevantes e de vida livre.
- Valor Operacional: Conecta fluxos de trabalho de descoberta e pré-clínicos por meio de dispositivos vestíveis que reduzem artefatos induzidos por estresse em estudos com animais e humanos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere no continuum de descoberta, desde a verificação inicial de hipóteses biológicas até a validação pré-clínica, especialmente para aplicações que exigem monitoramento fisiológico longitudinal e ambulatorial, nas quais a estabilidade da interface entre o eletrodo e o tecido é fundamental.
- Biologia da Descoberta: Permite a interface mecânica e elétrica com sistemas biológicos por meio de eletrodos flexíveis e conformados à pele que mantêm a integridade do sinal durante movimentos dinâmicos.
- Triagem: Fornece leituras quantitativas baseadas em resistividade a partir de sensores integrados a tecidos que respondem à deformação fisiológica, apoiando a análise comparativa de condições.
- Análise: Gera alterações mensuráveis na resistência e na capacitância elétrica que se correlacionam com estados fisiológicos, permitindo comparação estatística entre grupos experimentais.
- Pesquisa Translacional: Apoia a continuidade para estudos pré-clínicos ao permitir o uso de formatos vestíveis idênticos em diferentes sistemas modelo, reduzindo a variabilidade translacional.
- Reutilização Empresarial: Representa uma capacidade de plataforma para uso repetido em diversos programas de descoberta que exigem interfaces bioeletrônicas conformadas e vestíveis.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva ao reduzir a discrepância mecânica entre o sensor e o tecido, minimizando artefatos de movimento em dados ambulatoriais.
- Valor Operacional: Garante padronização e escalabilidade por meio de padronização definida por máscara e deposição baseada em solução, compatível com processamento têxtil contínuo.
- Valor Estratégico: Melhora decisões de prosseguimento ou interrupção ao permitir avaliação precoce do engajamento do alvo em condições de uso naturalistas, reduzindo falhas em estágios avançados devido à baixa adesão.
- Impacto no Portfólio: Apoia o avanço ajustado ao risco ao validar a modulação do alvo em formatos fisiologicamente relevantes e vestíveis antes de alternativas invasivas ou volumosas.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em eletrônica orgânica, manipulação de tecidos e técnicas de micro-padrinização, incluindo corte a laser e moldagem por fita.
- Requer acesso a capelas de exaustão, agitadores magnéticos, unidades de cura UV e equipamentos de recozimento térmico para o processamento de materiais.
- Exige padronização entre equipes multidisciplinares de cientistas de materiais, engenheiros têxteis e biólogos para garantir desempenho consistente dos eletrodos em diferentes tipos de tecidos.
- Envolve considerações de adaptação para variações no alongamento, espessura e hidrofobicidade dos tecidos, que afetam a absorção de PDMS e a adesão dos materiais.
- As limitações práticas incluem a estabilidade de longo prazo dos materiais eletroativos orgânicos sob lavagens repetidas, alongamento mecânico e exposição ambiental, conforme observado na fonte.
