Прямое нанесение рисунка органических проводников на трикотажные изделия на длительный срок.

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15003 (2015) Цитировать эту статью

7226 Доступов

133 цитаты

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Носимым датчикам уделяется большое внимание, поскольку они потенциально могут стать ключевым технологическим инструментом в здравоохранении. Чтобы этот потенциал был реализован, необходимо интегрировать в текстиль новые электроактивные материалы, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками. Здесь мы представляем простой и надежный метод, позволяющий наносить рисунок из проводящих полимеров на текстиль. Электроды, изготовленные с использованием этой технологии, показали низкий импедансный контакт с кожей человека, были способны записывать электрокардиограммы высокого качества в состоянии покоя и определять частоту сердечных сокращений, даже когда пользователь находился в движении. Эта работа открывает путь к созданию незаметных электрофизиологических датчиков для мониторинга здоровья человека.

Устройства мониторинга здоровья на основе текстиля вызывают большой интерес для потребительского и медицинского применения1,2,3,4,5,6, где они используются для мониторинга таких параметров, как артериальное давление7 и сердечный ритм5,6. Основное преимущество текстиля в качестве подложки для биомедицинских устройств связано с тем, что он устанавливает и поддерживает конформный контакт с телом человека неинвазивным способом1,2,3. Действительно, рубашки1,4, перчатки8 и браслеты3, оснащенные датчиками, использовались для демонстрации потенциала этой технологии. Повышенный интерес к разработке электродов для электрокардиографии (ЭКГ), которым текстильные изделия могут обеспечивать конформный контакт с кожей, необходимый для точного обнаружения слабых электрофизиологических сигналов сердца4,5,9,10. Носимые электроды ЭКГ могут обеспечить удаленный мониторинг людей из группы риска, сигнализировать о начале сердечно-сосудистых заболеваний и помочь контролировать физическую активность во время тренировок11. Несмотря на большой интерес к накожным электродам, нанесение рисунка проводящими материалами на растягивающиеся ткани затруднено из-за их трехмерной природы, что затрудняет применение традиционных процессов формирования рисунка1,12,13,14. Выбор техники переноса рисунка определяется типом ткани и ее структурой. Нити в тканых и нетканых материалах переплетаются в плотную сетку, в результате чего образуются очень плоские, но в основном нерастягивающиеся структуры15. Волокна в трикотажных изделиях собраны в змеевидную форму, которую можно изменить, приложив к плетению механическую силу, изменив его рисунок. Волокна такой волнообразной формы имитируют конструкцию механической пружины, придавая ткани значительную силу сопротивления при изменении ее формы. Обычно прямой перенос рисунка можно выполнять на тонких тканых и нетканых тканях, тогда как вышивка и вязание используются для создания рисунков на толстых и структурированных тканях.

Для создания токопроводящих рисунков на текстиле можно использовать микроконтактную, струйную и трафаретную печать16,12. Поэтому контролируемый перенос рисунка с помощью этих приемов на толстые трикотажные полотна может быть затруднен. Проводящие материалы необходимо наносить не только на поверхность вязаной конструкции, но и внутри, обеспечивая постоянный контакт нитей при ее механической деформации. Микроконтактная и струйная печать позволяют осуществлять прямой перенос рисунка, который обычно выполняется на тонких тканях, поскольку за один раз можно перенести небольшое количество чернил. Покрытие происходит только на верхнем слое ткани, однако проводимость рисунка сохраняется даже при растяжении. При трафаретной печати используются добавки для уменьшения растекания краски (например, серебряная паста) и улучшения пространственного разрешения17,18. Вязкость красок для струйной печати также должна быть рассчитана с учетом возможности печати19. В результате как при трафаретной, так и при струйной печати оптимизация чернил отрицательно влияет на конечную проводимость.

Вышивка и вязание заключаются в использовании отдельных волокон и их последующем внедрении в структуру ткани14,20,21,22. Тонкая проволока из нержавеющей стали, меди или другого металла используется для пришивания токопроводящих узоров на ткани путем вышивки. Для создания узора во время этих процессов необходимо большое количество проволоки. Обычно такие методы в значительной степени интегрируются в текстильной промышленности для создания взаимосвязи между датчиками и электронными системами вывода. Кроме того, органические электронные материалы также можно наносить посредством нанесения покрытия, при котором волокно покрывается путем прохождения через сопло, заполненное проводящим материалом, а затем переплетается или вяжется во время производства текстиля. Примеры такого подхода включают сенсорные датчики большой площади14, компоненты электропроводки13 и органические электрохимические транзисторы15, в которых используются органические проводящие материалы, такие как поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Электроды, изготовленные из PEDOT:PSS, успешно используются при кожных воздействиях, что подчеркивает их более высокие характеристики по сравнению с коммерческими электродами. Обладая доказанной биосовместимостью, этот материал использовался в исследованиях in vivo и, как было показано, снижает электрический импеданс по сравнению с классическими электродами23. Самое главное, что этот коммерчески доступный полимер можно легко модифицировать без ущерба для его практичности. Реологические свойства PEDOT делают его привлекательным для прямой интеграции с текстилем. Поэтому ключевой задачей при разработке биомедицинских устройств на текстиле является разработка простых методов нанесения рисунка, которые позволяют наносить проводящие биосовместимые материалы только на желаемую область, без необходимости резки и шитья, а также без добавок, влияющих на проводимость.