Naukowcy z Pennsylvania State University opracowali przewodzący tusz, który można malować bezpośrednio na skórze w kolorowe, niestandardowe wzory, przekształcając się w funkcjonalną elektrodę do monitorowania biometrycznego po wyschnięciu. Opisali swoją pracę w nowym artykule opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Jak wcześniej informowano, elektronika naskórkowa przyczepiana do skóry za pomocą tymczasowych tatuaży (e-tatuaże) istnieje od ponad dekady. Te e-tatuaże łączą się ze skórą bez klejów, są praktycznie niezauważalne i zazwyczaj przyczepiane są za pomocą tymczasowego tatuażu, umożliwiając pomiary elektryczne (i inne, takie jak temperatura i odkształcenie) przy użyciu ultracienkich polimerów z wbudowanymi elementami obwodów. Jednak nie działają dobrze na zakrzywionych i/lub owłosionych powierzchniach, a także wymagają spersonalizowanego projektu rozmieszczenia elektrod, aby pokryć większe obszary, ponieważ biosygnały są rozmieszczone przestrzennie. Dlatego naukowcy stali się kreatywni. Na przykład w 2024 roku badacze opracowali specjalne przewodzące tusze na bazie polimerów, które można drukować na skórze głowy, aby mierzyć fale mózgowe, nawet jeśli osoba ma włosy.

Larry Cheng, inżynier mechanik z Penn State i współautor nowego artykułu w PNAS, pracuje nad projektami elektrod do zastosowań biomonitorowania od ponad 10 lat, w tym EEG, EKG i EMG. Używanie sztywnych materiałów, takich jak metale, daje stabilny biomonitor, ale łatwo się przemieszcza, gdy użytkownik za bardzo się porusza, na przykład podczas ćwiczeń. Hydrożele pojawiły się w ostatnich latach jako alternatywne materiały, ponieważ mogą wchłaniać wodę, pęcznieć i rozciągać się wraz ze skórą podczas ruchu. Ale hydrożele dość szybko ulegają degradacji i tracą te zalety przy długotrwałym użytkowaniu. Pot lub włosy mogą również zmniejszać dokładność rejestrowania biosygnałów, ponieważ komercyjne elektrody są prefabrykowane, a następnie nakładane na skórę, tworząc szczelinę powietrzną, która osłabia odczyty czujników.

Cheng i in. postanowili opracować swój przewodzący tusz, aby rozwiązać ten problem. Zmieszali kilka różnych rodzajów polimerów i dodatków kwasowych w wodnym roztworze etanolu/alkoholu poliwinylowego. PEDOT:PSS - czyli poli(3,4-etylenodioksytiofen): poli(styrenosulfonian) - zapewniał przewodnictwo elektryczne, wraz z DBSA (kwas 4-dodecylobenzenosulfonowy), który służył również jako plastyfikator, nadając tuszowi elastyczność. Zespół miłosiernie skrócił skróconą nazwę swojego nowego przewodzącego tuszu do WE-PPD. „Tusz sam w sobie zachowuje się prawie jak farba do twarzy” – powiedział Cheng. „Na początku jest prawie przezroczysty, ale można użyć barwnika spożywczego, aby zabarwić tusz na dowolne kolory potrzebne do namalowania dowolnego wzoru, jaki przyjdzie ci do głowy – na przykład kreskówki lub Supermana. Pozwala nam to całkowicie spersonalizować noszone urządzenie zgodnie z preferencjami danej osoby”. Ponieważ tusz wypełnia kontury skóry, wynikowa elektroda ma bardzo wysoką łączność ze skórą, a co za tym idzie lepszą rejestrację sygnału. Można go również włączyć do porowatej tekstury srebra i zintegrować ze sztywnymi urządzeniami.

Pomalowane czujniki przetestowano w laboratorium na ludziach, aby monitorować aktywność serca podczas biegania na bieżni i podnoszenia ciężarów; rozpoznawanie gestów w celu sterowania protezą ręki robotycznej; oraz aktywność mózgu (EEG), monitorowaną przez włosy, podczas gdy współautor wykonywał codzienne czynności. Pomalowane elektrody były w stanie rozciągnąć się do 170 procent przed awarią, według autorów, miały znacznie wyższą przepuszczalność pary wodnej niż standardowe folie medyczne i nie powodowały podrażnień skóry przy długotrwałym użytkowaniu. „Chociaż testowaliśmy codzienne użytkowanie przez okres 12 godzin, nie jest to limit dla tych elektrod” – powiedział Cheng. „Same elektrody można zmyć i łatwo ponownie nałożyć. Główną ideą jest to, że w przyszłości można potencjalnie mieć droższy moduł czujnikowy, który pozostaje oddzielony od systemu, ale same elektrody mogą być jednorazowe. Pojedyncza butelka tuszu może dostarczyć wystarczającej ilości materiału do pomalowania wielu