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 de selectieve depositie van organische elektroactieve materialen op textiel, wat de integratie van draagbare organische elektronische apparaten direct in kleding faciliteert. Deze methode verbetert de interactie tussen elektronica en het menselijk lichaam, terwijl het comfort en de mechanische integriteit behouden blijven.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Draagbare elektronica
- Organische elektronica
- Textieltechniek
Achtergrond
- De integratie van elektronica met textiel is een belangrijke uitdaging binnen de draagbare technologie.
- Traditionele methoden tasten vaak het comfort en de esthetiek van kleding aan.
- Deze techniek is geïnspireerd op historische textielpraktijken.
- Het doel is om een kosteneffectieve en schaalbare oplossing voor draagbare apparaten te creëren.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een methode voor de naadloze integratie van organische elektronica in textiel.
- Het verbeteren van de functionaliteit van kleding door middel van ingebouwde sensormogelijkheden.
- Het verkennen van een niet-traditionele benadering om elektronica met textiel te combineren.
Gebruikte methoden
- Aanpassing van traditionele kimono-verftechnieken voor moderne microfabricage.
- Selectieve depositie 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 het mechanische uiterlijk en het comfort van het textiel.
- Mogelijk maken van nieuwe sensorische mogelijkheden in draagbare toepassingen.
- Aantoonbare schaalbaarheid en kosteneffectiviteit van de methode.
Conclusies
- Deze methode vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in draagbare elektronica.
- Het biedt een kader voor toekomstig onderzoek naar in textiel geïntegreerde apparaten.
- De aanpak kan leiden tot efficiëntere interacties tussen technologie en het menselijk lichaam.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Leidinggevenden
Deze methode maakt schaalbare integratie van organische elektronica in textiel mogelijk en pakt daarmee een cruciale uitdaging bij de ontwikkeling van draagbare apparaten aan: het realiseren van naadloze elektronisch-textiele interfaces zonder het comfort of de mechanische eigenschappen aan te tasten. Door historische patroontechnieken aan te passen voor moderne microfabricage, biedt het een kosteneffectieve manier om draagbare sensoren en elektroden direct op kleding te produceren. Dit ondersteunt de vroege ontdekking van bio-geïntegreerde systemen waarbij mechanische conformiteit en naleving door de gebruiker essentieel zijn voor de datatrouw en longitudinale monitoring.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om fysiologische signalen te onderzoeken via conforme, in textiel geïntegreerde elektroden die tijdens beweging het huidcontact behouden.
- Operationele waarde: Ondersteunt hypothesetoetsing in ambulante omgevingen door natuurlijke biomechanica te behouden tijdens de gegevensverzameling.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt gestandaardiseerde, patroonvormige organische elektronische platforms voor betrouwbare acquisitie van biomarkersignalen van fysiologische oppervlakken.
- Operationele waarde: Vergemakkelijkt de reproduceerbaarheid van assays door schaalbare depositie op basis van maskers en een uniforme materiaalcoating over textielsubstraten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt de validatie van translationele biomarkers door continue, niet-invasieve monitoring in fysiologisch relevante, vrije omstandigheden mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Slaat een brug tussen discovery- en preklinische workflows via draagbare formaten die stress-geïnduceerde artefacten in dier- en mensstudies verminderen.
Integratie van Pipeline en Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm, van vroege biologische hypothesetesten tot preklinische validatie, in het bijzonder voor toepassingen die longitudinale, ambulante fysiologische monitoring vereisen waarbij de stabiliteit van de interface tussen elektrode en weefsel van cruciaal belang is.
- Discovery Biology: Maakt mechanische en elektrische koppeling met biologische systemen mogelijk via rekbare, huidconformele elektroden die de signaalintegriteit behouden tijdens dynamische beweging.
- Screening: Levert kwantitatieve, op resistiviteit gebaseerde uitlezingen van textiel-geïntegreerde sensoren die reageren op fysiologische rek, wat een vergelijkende analyse van condities ondersteunt.
- Analytics: Genereert meetbare verschuivingen in elektrische weerstand en capaciteit die correleren met fysiologische toestanden, waardoor statistische vergelijking tussen experimentele groepen mogelijk wordt.
- Translationeel Onderzoek: Ondersteunt de continuïteit naar preklinische studies door toe te staan dat identieke wearable-formaten in verschillende modelsystemen worden gebruikt, waardoor translationele variabiliteit wordt verminderd.
- Enterprise Reuse: Vertegenwoordigt een platformcapaciteit voor herhaaldelijk gebruik in meerdere ontdekkingsprogramma's die conformele, draagbare bio-interfaces vereisen.
Operationele impact en impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen door de mechanische mismatch tussen sensor en weefsel te verminderen, waardoor bewegingsartefacten in ambulante gegevens worden geminimaliseerd.
- Operationele waarde: Garandeert standaardisatie en schaalbaarheid door middel van maskergedefinieerde patroons en oplossingsgebaseerde depositie die compatibel is met roll-to-roll textielverwerking.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroege beoordeling van target engagement onder naturalistische gebruiksomstandigheden mogelijk te maken, waardoor falen in een late fase door slechte compliance wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde vooruitgang door targetmodulatie te valideren in fysiologisch relevante, draagbare formaten voorafgaand aan invasieve of omvangrijke alternatieven.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in organische elektronica, textielverwerking en micropatroontechnieken, waaronder lasersnijden en tape casting.
- Toegang tot zuurkasten, magnetische roerders, UV-uithardingsunits en thermische annealingsapparatuur voor materiaalbewerking is noodzakelijk.
- Vereist standaardisatie tussen teams van materiaalkundigen, textielingenieurs en biologen om consistente elektrodeprestaties over verschillende stofsoorten te waarborgen.
- Houdt rekening met aanpassingen voor variërende textielrek, dikte en hydrofobiciteit die de PDMS-absorptie en materiaalaanhechting beïnvloeden.
- Praktische beperkingen omvatten de langetermijnstabiliteit van organische elektroactieve materialen bij herhaaldelijk wassen, rekken en blootstelling aan de omgeving, zoals vermeld in de bron.
