Padronização direta de condutores orgânicos em tecidos de malha por muito tempo

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 15003 (2015) Citar este artigo

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Os sensores vestíveis estão recebendo muita atenção, pois oferecem o potencial de se tornarem uma ferramenta tecnológica fundamental para a saúde. Para que este potencial se concretize, novos materiais eletroativos de alto desempenho precisam ser integrados aos têxteis. Apresentamos aqui uma técnica simples e confiável que permite a padronização de polímeros condutores em têxteis. Os eletrodos fabricados com essa técnica mostraram contato de baixa impedância com a pele humana, foram capazes de registrar eletrocardiogramas de alta qualidade em repouso e determinar a frequência cardíaca mesmo quando o usuário estava em movimento. Este trabalho abre caminho para sensores eletrofisiológicos imperceptíveis para monitoramento da saúde humana.

Os dispositivos de monitorização da saúde baseados em têxteis estão a receber grande interesse para aplicações médicas e de consumo1,2,3,4,5,6, onde são utilizados para monitorizar parâmetros como a pressão arterial7 e o ritmo cardíaco5,6. A principal vantagem dos têxteis como substratos para dispositivos biomédicos decorre do facto de estabelecerem e manterem contacto conforme com o corpo humano de forma não invasiva1,2,3. Na verdade, camisas1,4, luvas8 e pulseiras3 equipadas com sensores têm sido utilizadas para demonstrar o potencial desta tecnologia. Há um interesse crescente no desenvolvimento de eletrodos de eletrocardiografia (ECG), aos quais os têxteis possam conceder o contato conformal com a pele, necessário para detectar com precisão os pequenos sinais eletrofisiológicos do coração4,5,9,10. Eletrodos de ECG vestíveis podem permitir o monitoramento remoto de pessoas em risco, sinalizar o início de doenças cardíacas e ajudar a monitorar a atividade física durante o exercício11. Apesar do grande interesse em eletrodos cutâneos, a padronização de materiais condutores em tecidos elásticos tem sido dificultada pela sua natureza tridimensional, o que dificulta a aplicação de processos convencionais de padronização1,12,13,14. A escolha da técnica de transferência do padrão é definida pelo tipo de tecido e pela sua estrutura. Os fios dos tecidos e não tecidos são entrelaçados numa rede densa, resultando em estruturas muito planas, mas na sua maioria não extensíveis15. As fibras dos têxteis de malha são montadas em forma de cobra que pode ser alterada aplicando uma força mecânica à malha variando o seu desenho. Essas fibras em forma de onda imitam um desenho de mola mecânica, proporcionando ao tecido uma força de resistência considerável quando a sua forma muda. Normalmente, a transferência direta de padrões pode ser feita em tecidos finos e não tecidos, enquanto o bordado e o tricô são usados ​​para modelar tecidos grossos e estruturados.

Microcontato, jato de tinta e serigrafia podem ser usados ​​para fazer padrões condutores em têxteis . Portanto, a transferência controlada de um padrão usando estas técnicas em tecidos de malha grossos pode ser obstruída. Os materiais condutores precisam ser revestidos não apenas na superfície da estrutura tricotada, mas também no seu interior, proporcionando contato contínuo entre os fios durante sua deformação mecânica. A impressão por microcontato e jato de tinta permite a transferência direta de padrões, o que geralmente é feito em tecidos finos, uma vez que uma pequena quantidade de tinta pode ser transferida no momento. O revestimento ocorre apenas na camada superior do tecido, porém a condutividade do padrão é mantida mesmo sob estiramento. Na serigrafia são utilizados aditivos para reduzir o espalhamento da tinta (isto é, pasta de prata) e melhorar a resolução espacial17,18. A viscosidade das tintas de impressão a jato de tinta também deve ser projetada para capacidade de impressão19. Como resultado, tanto na impressão serigráfica quanto na impressão a jato de tinta, a otimização da tinta tem um impacto negativo na condutividade final.

O bordado e o tricô consistem na utilização de fibras individuais e posterior introdução delas na estrutura do tecido14,20,21,22. Fios finos de aço inoxidável, cobre ou outros metais são empregados para costurar padrões condutores em tecidos por meio de bordados. Uma grande quantidade de fios é necessária durante esses processos para criar um padrão. Normalmente, tais técnicas são amplamente integradas nas indústrias têxteis para criar interconexões entre sensores e sistemas eletrônicos de saída. Além disso, os materiais eletrônicos orgânicos também podem ser aplicados por meio de revestimento sob matriz, onde a fibra é revestida passando por um bico preenchido com um material condutor e depois tecida ou tricotada durante a fabricação têxtil. Exemplos dessa abordagem incluem sensores de toque de grande área14, componentes de fiação elétrica13 e transistores eletroquímicos orgânicos15 usando material condutor orgânico como poli(3,4-etilenodioxitiofeno):poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS). Eletrodos confeccionados com PEDOT:PSS têm sido utilizados com sucesso em aplicações cutâneas destacando seu alto desempenho em relação aos comerciais. Com biocompatibilidade comprovada, o material tem sido utilizado em estudos in vivo e demonstrou diminuir a impedância elétrica em relação aos eletrodos clássicos23. Mais importante ainda, este polímero disponível comercialmente pode ser facilmente modificado sem comprometer a sua praticidade. As propriedades reológicas do PEDOT tornam-no atrativo para integração direta com têxteis. Um desafio fundamental, portanto, para a elaboração de dispositivos biomédicos em têxteis é o desenvolvimento de técnicas de padronização simples que permitam a deposição de materiais biocompatíveis condutores apenas na área desejada, sem a necessidade de corte e costura, nem de aditivos que afetem a condutividade.