Scienziati della Pennsylvania State University hanno sviluppato un inchiostro conduttivo che può essere dipinto direttamente sulla pelle in disegni personalizzati colorati, trasformandosi in un elettrodo funzionale per il biomonitoraggio dopo l'essiccazione. Hanno descritto il loro lavoro in un nuovo articolo pubblicato sugli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS).

Come già riportato, gli elettrodi epidermici attaccati alla pelle tramite tatuaggi temporanei (e-tatuaggi) esistono da oltre un decennio. Questi e-tatuaggi si collegano alla pelle senza adesivi, sono praticamente invisibili e vengono tipicamente applicati tramite tatuaggio temporaneo, consentendo misurazioni elettriche (e altre misurazioni, come temperatura e deformazione) utilizzando polimeri ultrasottili con elementi circuitali incorporati. Tuttavia, non funzionano bene su superfici curve e/o pelose e richiedono un design personalizzato del posizionamento degli elettrodi per coprire aree più grandi, poiché i biosignali sono distribuiti spazialmente. Così gli scienziati si sono fatti creativi. Ad esempio, nel 2024, i ricercatori hanno sviluppato speciali inchiostri conduttivi a base polimerica che possono essere stampati sul cuoio capelluto di una persona per misurare le onde cerebrali, anche se ha i capelli.

Larry Cheng, ingegnere meccanico della Penn State e coautore del nuovo articolo su PNAS, lavora da oltre 10 anni su progetti di elettrodi per applicazioni di biomonitoraggio, tra cui EEG, ECG ed EMG. L'uso di materiali rigidi come i metalli produce un biomonitor stabile, ma si sposta facilmente quando chi lo indossa si muove troppo, ad esempio durante l'esercizio fisico. Gli idrogeli sono emersi negli ultimi anni come materiali alternativi, poiché possono assorbire acqua, gonfiarsi e allungarsi con la pelle durante il movimento. Ma gli idrogeli si degradano piuttosto rapidamente e perdono questi benefici con l'uso prolungato. Anche il sudore o i capelli possono ridurre la precisione nella registrazione dei biosignali, perché gli elettrodi commerciali sono prefabbricati e poi applicati sulla pelle, creando un'intercapedine d'aria che indebolisce le letture del sensore.

Cheng e colleghi hanno deciso di sviluppare il loro inchiostro conduttivo per risolvere questo problema. Hanno mescolato diversi tipi di polimeri e additivi acidi in una soluzione acquosa di etanolo/polivinilalcol. Il PEDOT:PSS - ovvero poli(3,4-etilendiossitiofene): poli(stirene solfonato) - forniva conduttività elettrica, insieme al DBSA (acido 4-dodecilbenzensolfonico), che fungeva anche da plastificante per dare flessibilità all'inchiostro. Il team ha miseramente abbreviato il nome abbreviato del loro nuovo inchiostro conduttivo in WE-PPD. "L'inchiostro stesso si comporta quasi come il trucco per il viso", ha detto Cheng. "Inizia quasi trasparente, ma puoi usare colorante alimentare per pigmentare l'inchiostro in qualsiasi colore ti serva per dipingere qualsiasi disegno hai in mente - come un cartone animato o Superman. Questo ci permette di personalizzare completamente il dispositivo indossabile secondo le preferenze di una persona." Poiché l'inchiostro riempie i contorni della pelle, l'elettrodo risultante ha una connettività cutanea molto elevata e quindi una migliore registrazione del segnale. Può anche essere incorporato in una texture d'argento porosa e integrato con dispositivi rigidi.

I sensori dipinti sono stati testati in laboratorio su soggetti umani per monitorare l'attività cardiaca mentre correvano su un tapis roulant e sollevavano pesi; riconoscimento dei gesti per controllare una mano robotica protesica; e attività cerebrale (EEG), monitorata attraverso i capelli, mentre un coautore svolgeva le sue attività quotidiane. Gli elettrodi dipinti sono stati in grado di allungarsi fino al 170% prima di rompersi, secondo gli autori, avevano una permeabilità al vapore acqueo molto più elevata rispetto ai film medicali standard e non causavano irritazioni cutanee con l'uso prolungato. "Sebbene abbiamo testato l'applicazione quotidiana per un periodo di 12 ore, questo non è il limite per questi elettrodi", ha detto Cheng. "Gli elettrodi stessi possono essere lavati via e riapplicati facilmente. L'idea principale è che in futuro potresti potenzialmente avere un modulo di rilevamento più costoso che rimane separato dal sistema, ma gli elettrodi stessi possono essere usa e getta. Una singola bottiglia di inchiostro potrebbe fornire materiale sufficiente per dipingere più