Wissenschaftler der Pennsylvania State University haben eine leitfähige Tinte entwickelt, die direkt auf die Haut in bunten, individuellen Designs aufgetragen werden kann und nach dem Trocknen zu einer funktionierenden Elektrode für die Biometrie wird. Sie beschrieben ihre Arbeit in einem neuen Artikel, der in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde.

Wie bereits berichtet, gibt es epidermale Elektronik, die über temporäre Tattoos (E-Tattoos) auf der Haut angebracht wird, seit über einem Jahrzehnt. Diese E-Tattoos verbinden sich ohne Klebstoff mit der Haut, sind praktisch unsichtbar und werden typischerweise als temporäres Tattoo aufgebracht, was elektrische Messungen (und andere Messungen wie Temperatur und Dehnung) mit ultradünnen Polymeren und eingebetteten Schaltungselementen ermöglicht. Allerdings funktionieren sie auf gekrümmten und/oder behaarten Oberflächen nicht gut und erfordern ein personalisiertes Elektrodenplatzierungsdesign, um größere Bereiche abzudecken, da Biosignale räumlich verteilt sind. Also wurden Wissenschaftler kreativ. Zum Beispiel entwickelten Forscher 2024 spezielle polymerbasierte leitfähige Tinten, die auf die Kopfhaut einer Person gedruckt werden können, um Gehirnwellen zu messen, selbst wenn sie Haare hat.

Larry Cheng, Maschinenbauingenieur an der Penn State und Koautor des neuen PNAS-Artikels, arbeitet seit über zehn Jahren an Elektrodendesigns für Biomonitoring-Anwendungen, darunter EEGs, EKGs und EMGs. Die Verwendung starrer Materialien wie Metalle ergibt einen stabilen Biomonitor, aber er wird leicht gelöst, wenn der Träger sich zu viel bewegt, etwa beim Sport. Hydrogele sind in den letzten Jahren als alternative Materialien aufgetaucht, da sie Wasser aufnehmen, quellen und sich mit der Haut des Körpers während der Bewegung dehnen können. Aber Hydrogele bauen sich ziemlich schnell ab und verlieren diese Vorteile bei längerer Nutzung. Schweiß oder Haare können ebenfalls die Genauigkeit der Aufzeichnung von Biosignalen verringern, da kommerzielle Elektroden vorgefertigt und dann auf die Haut aufgebracht werden, was einen Luftspalt erzeugt, der die Sensorwerte schwächt.

Cheng et al. beschlossen, ihre leitfähige Tinte zu entwickeln, um dieses Problem anzugehen. Sie mischten verschiedene Arten von Polymeren und sauren Zusätzen in einer wässrigen Ethanol/Polyvinylalkohol-Lösung. PEDOT:PSS – auch bekannt als Poly(3,4-ethylendioxythiophen): Poly(styrolsulfonat) – sorgte für elektrische Leitfähigkeit, zusammen mit DBSA (4-Dodecylbenzolsulfonsäure), das auch als Weichmacher diente, um der Tinte Flexibilität zu verleihen. Das Team verkürzte gnädigerweise den abgekürzten Namen ihrer neuen leitfähigen Tinte auf WE-PPD. „Die Tinte verhält sich fast wie Gesichtsfarbe“, sagte Cheng. „Sie ist anfangs fast transparent, aber man kann Lebensmittelfarbe verwenden, um die Tinte in beliebigen Farben einzufärben, um jedes Design zu malen, das man im Kopf hat – wie einen Cartoon oder Superman. Das ermöglicht es uns, das Wearable vollständig an die Vorlieben einer Person anzupassen.“ Da die Tinte die Konturen der Haut ausfüllt, hat die resultierende Elektrode eine sehr hohe Hautverbindung und damit eine bessere Signalaufzeichnung. Sie kann auch in eine poröse Silberstruktur integriert und mit starren Geräten verbunden werden.

Die aufgemalten Sensoren wurden im Labor an menschlichen Probanden getestet, um die Herzaktivität beim Laufen auf einem Laufband und beim Gewichtheben zu überwachen; Gestenerkennung zur Steuerung einer robotischen Prothesenhand; und Gehirnaktivität (EEG), durch Haare hindurch überwacht, während ein Koautor seinen täglichen Aktivitäten nachging. Die aufgemalten Elektroden konnten laut den Autoren bis zu 170 Prozent gedehnt werden, bevor sie versagten, hatten eine viel höhere Wasserdampfdurchlässigkeit als handelsübliche medizinische Folien und verursachten bei längerer Nutzung keine Hautreizungen. „Obwohl wir die tägliche Anwendung über einen Zeitraum von 12 Stunden getestet haben, ist dies nicht die Grenze für diese Elektroden“, sagte Cheng. „Die Elektroden selbst können abgewaschen und leicht wieder aufgetragen werden. Die große Idee dahinter ist, dass man in Zukunft möglicherweise ein teureres Sensormodul haben könnte, das vom System getrennt bleibt, aber die Elektroden selbst wegwerfbar sind. Eine einzelne Flasche Tinte könnte genug Material liefern, um mehrere