Stretchable Skin for Biomonitoring

Abstract

A recente área dos circuitos electrónicos deformáveis tem recebido especial atenção nos últimos anos para aplicações na área biomédica, mais especificamente na forma de dispositivos vestíveis/conformáveis com o corpo humano. A investigação de materiais deformáveis com elevada conductividade eléctrica é necessária para o desenvolvimento destes dispositivos, e novos desafios têm surgido tais como conectar este tipo de materiais a componentes electrónicos rígidos, fornecer e guardar energia neles, e tirar vantagem destas estruturas para adquirir sinais biológicos.Apesar de a detecção de sinal biológico ser uma área já bem estudada, os actuais eléctrodos estado da arte usados como interface para a epiderme humana possuem algumas limitações do ponto de vista do conforto do utilizador (especialmente considerando monitorizações de longo prazo) e os dispositivos de biomonitorização são normalmente constituídos por componentes duros e quebráveis, longe de serem adequadamente conformáveis com os tecidos do corpo humano. O desenvolvimento de dispositivos de biomonitorização conformáveis e, portanto, mais confortáveis é então de grande interesse para diversas aplicações tais como o acompanhamento médico à distância, dispositivos de interface homem-máquina e próteses.Nesta dissertação, pretende-se explorar a fabricação de eléctrodos de filme fino e sensores de biomonitorização deformáveis. Isto inclui uma série de eléctrodos inovadores compostos por um silicone biocompatível (polidimetilsiloxano - PDMS) como polímero base e compósitos formados pelo mesmo material misturado com partículas condutoras. Como caso de estudo, foi adquirida leitura eléctrica muscular não-invasiva - electromiografia de superfície (sEMG). Os eléctrodos são, por fim, comparados uns com os outros, bem como com eléctrodos de referência "secos" e de gel comercialmente disponíveis, tendo em conta vários parâmetros, e os resultados são exibidos.

The recent field of stretchable electronics has received an increasing attention in the past few years for biomedical applications, in the form of wearable/body conformable devices. The investigation of stretchable materials that can afford high electrical conductivity is demanded for such devices, and new challenges such as how to interface these soft systems with rigid components, how to deliver and store energy in them and how to take advantage of such structures to measure biological signals emerged.Although biological signal sensing is already a well studied field, current state of the art electrodes that interface with the human epidermis exhibit limitations from the user's comfort point of view (specially when considering long-term applications) and biomonitoring devices are generally composed of hard, rigid and brittle hardware, far from being adequately conformable to soft human tissue. The development of conformable and thus more comfortable biomonitoring devices is, therefore, of great interest for several applications such as remote health monitoring, human-machine interface (HMI) devices and prosthetics.This dissertation aims to explore the fabrication of thin film stretchable electrodes and biomonitoring patches. This includes a series of novel electrodes composed of a medical graded silicone (polydimethylsiloxane - PDMS) as the base polymer and composites of the same material mixed with conductive particles. As a case study, non-invasive electrical muscular activity - surface electromyography (sEMG) - is acquired. Electrodes are then compared against each other, as well as reference commercial dry and gelled electrodes based on various parameters, and results are displayed.