Wetenschappers van de Pennsylvania State University hebben een geleidende inkt ontwikkeld die rechtstreeks op de huid kan worden geschilderd in kleurrijke, op maat gemaakte ontwerpen, en na droging verandert in een functionele elektrode voor biomonitoring. Ze beschreven hun werk in een nieuw artikel gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Zoals eerder gemeld, bestaan epidermale elektronica die via tijdelijke tatoeages (e-tattoos) aan de huid worden bevestigd al meer dan een decennium. Deze e-tattoos verbinden met de huid zonder lijm, zijn praktisch onzichtbaar en worden meestal aangebracht via tijdelijke tatoeage, waardoor elektrische metingen (en andere metingen, zoals temperatuur en rek) mogelijk zijn met ultradunne polymeren met ingebedde circuitelementen. Ze werken echter niet goed op gebogen en/of behaarde oppervlakken en vereisen een gepersonaliseerd ontwerp van de elektrodeplaatsing om grotere gebieden te bedekken, omdat biosignalen ruimtelijk verdeeld zijn. Dus wetenschappers zijn creatief geworden. In 2024 ontwikkelden onderzoekers bijvoorbeeld speciale polymeer-gebaseerde geleidende inkten die op iemands hoofdhuid kunnen worden geprint om hersengolven te meten, zelfs als ze haar hebben.

Penn State werktuigbouwkundig ingenieur Larry Cheng, co-auteur van het nieuwe PNAS-artikel, werkt al meer dan 10 jaar aan elektrodeontwerpen voor biomonitoringtoepassingen, waaronder EEG's, ECG's en EMG's. Het gebruik van stijve materialen zoals metalen zorgt voor een stabiele biomonitor, maar deze raakt gemakkelijk los wanneer de drager te veel beweegt, zoals tijdens het sporten. Hydrogelen zijn de afgelopen jaren naar voren gekomen als alternatieve materialen, omdat ze water kunnen absorberen, uitzetten en meerekken met de huid van het lichaam tijdens beweging. Maar hydrogelen degraderen vrij snel en verliezen die voordelen bij langdurig gebruik. Zweet of haar kunnen ook de nauwkeurigheid van het opnemen van biosignalen verminderen, omdat commerciële elektroden voorgefabriceerd zijn en vervolgens op de huid worden aangebracht, waardoor een luchtspleet ontstaat die de sensoruitlezing verzwakt.

Cheng et al. besloten hun geleidende inkt te ontwikkelen om dat probleem aan te pakken. Ze mengden verschillende soorten polymeren en zure additieven in een waterige ethanol/polyvinylalcohol-oplossing. PEDOT:PSS - aka poly(3,4-ethyleendioxythiofeen): poly(styreen sulfonaat) - zorgde voor elektrische geleiding, samen met DBSA (4-dodecylbenzeensulfonzuur), dat ook diende als weekmaker om de inkt flexibiliteit te geven. Het team verkortte genadig de afgekorte benaming van hun nieuwe geleidende inkt tot WE-PPD. "De inkt gedraagt zich bijna als gezichtsverf," zei Cheng. "Het begint bijna transparant, maar je kunt voedingskleurstof gebruiken om de inkt te pigmenteren in welke kleuren je ook nodig hebt om elk ontwerp dat je in gedachten hebt te schilderen - zoals een cartoon of Superman. Dit stelt ons in staat om de wearable volledig te personaliseren naar iemands voorkeur." Omdat de inkt de contouren van de huid vult, heeft de resulterende elektrode een zeer hoge huidconnectiviteit en daardoor een betere signaalopname. Het kan ook worden opgenomen in een poreuze zilvertextuur en worden geïntegreerd met stijve apparaten.

De geschilderde sensoren werden in het laboratorium getest op menselijke proefpersonen om hartactiviteit te monitoren tijdens het hardlopen op een loopband en gewichtheffen; gebarenherkenning om een prothetische robotarm te besturen; en hersenactiviteit (EEG), gemonitord door haar heen, terwijl een co-auteur hun dagelijkse bezigheden deed. De geschilderde elektroden konden tot 170 procent uitrekken voordat ze faalden, volgens de auteurs, hadden een veel hogere waterdampdoorlaatbaarheid dan standaard medische films en veroorzaakten geen huidirritatie bij langdurig gebruik. "Hoewel we het dagelijks gebruik over een periode van 12 uur hebben getest, is dit niet de limiet voor deze elektroden," zei Cheng. "De elektroden zelf kunnen worden afgewassen en gemakkelijk opnieuw worden aangebracht. Het grote idee hierachter is dat je in de toekomst mogelijk een duurdere sensormodule kunt hebben die apart blijft van het systeem, maar de elektroden zelf kunnen wegwerpbaar zijn. Een enkele fles inkt zou voldoende materiaal kunnen leveren om meerdere elektroden te schilderen."