Cercetătorii de la Pennsylvania State University au dezvoltat o cerneală conductivă care poate fi pictată direct pe piele în modele personalizate colorate, transformându-se într-un electrod funcțional pentru biomonitorizare după uscare. Și-au descris munca într-o nouă lucrare publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

După cum s-a raportat anterior, electronicele epidermice atașate de piele prin tatuaje temporare (e-tatuaje) există de peste un deceniu. Aceste e-tatuaje se conectează la piele fără adezivi, sunt practic invizibile și sunt de obicei atașate prin tatuaj temporar, permițând măsurători electrice (și alte măsurători, cum ar fi temperatura și deformarea) folosind polimeri ultra-subțiri cu elemente de circuit încorporate. Cu toate acestea, nu funcționează bine pe suprafețe curbate și/sau păroase și necesită un design personalizat de plasare a electrozilor pentru a acoperi zone mai mari, deoarece biosemnalele sunt distribuite spațial. Așa că oamenii de știință au devenit creativi. De exemplu, în 2024, cercetătorii au dezvoltat cerneluri conductoare speciale pe bază de polimeri care pot fi imprimate pe scalpul unei persoane pentru a măsura undele cerebrale, chiar dacă are păr.

Inginerul mecanic de la Penn State, Larry Cheng, coautor al noii lucrări PNAS, lucrează la modele de electrozi pentru aplicații de biomonitorizare de peste 10 ani, inclusiv EEG, ECG și EMG. Utilizarea materialelor rigide precum metalele asigură un biomonitor stabil, dar este ușor de dislocat atunci când purtătorul se mișcă prea mult, de exemplu în timpul exercițiilor fizice. Hidrogelurile au apărut în ultimii ani ca materiale alternative, deoarece pot absorbi apă, se umflă și se întind odată cu pielea corpului în timpul mișcării. Dar hidrogelurile se degradează destul de repede și pierd aceste beneficii în cazul utilizării prelungite. Transpirația sau părul pot reduce, de asemenea, acuratețea înregistrării biosemnalelor, deoarece electrozii comerciali sunt prefabricați și apoi aplicați pe piele, creând un spațiu de aer care slăbește citirile senzorilor.

Cheng și colegii săi au decis să dezvolte propria lor cerneală conductivă pentru a rezolva această problemă. Au amestecat mai multe tipuri diferite de polimeri și aditivi acizi într-o soluție apoasă de etanol/alcool polivinilic. PEDOT:PSS - cunoscut și sub numele de poli(3,4-etilendioxitiofen): poli(stiren sulfonat) - a asigurat conductivitatea electrică, împreună cu DBSA (acid 4-dodecilbenzensulfonic), care a servit și ca plastifiant pentru a conferi cernelii flexibilitate. Echipa a scurtat cu milă denumirea prescurtată a noii lor cerneluri conductive la WE-PPD. „Cerneala în sine se comportă aproape ca vopseaua de față”, a spus Cheng. „La început este aproape transparentă, dar poți folosi colorant alimentar pentru a pigmenta cerneala în orice culori ai nevoie pentru a picta orice design ai în minte - de exemplu, un desen animat sau Superman. Acest lucru ne permite să personalizăm complet dispozitivul portabil în funcție de preferințele persoanei.” Deoarece cerneala umple contururile pielii, electrodul rezultat are o conectivitate foarte mare cu pielea și, prin urmare, o înregistrare mai bună a semnalului. Poate fi, de asemenea, încorporat într-o textură poroasă de argint și integrat cu dispozitive rigide.

Senzorii pictați au fost testați în laborator pe subiecți umani pentru a monitoriza activitatea cardiacă în timp ce alergau pe o bandă de alergare și ridicau greutăți; recunoașterea gesturilor pentru a controla o mână robotică protetică; și activitatea cerebrală (EEG), monitorizată prin păr, în timp ce un coautor își desfășura activitățile zilnice. Electrozii pictați au putut să se întindă până la 170% înainte de a ceda, conform autorilor, au avut o permeabilitate la vaporii de apă mult mai mare decât filmele medicale standard și nu au provocat iritații ale pielii în urma utilizării prelungite. „Deși am testat aplicarea zilnică pe o perioadă de 12 ore, aceasta nu este limita pentru acești electrozi”, a spus Cheng. „Electrozii în sine pot fi spălați și reaplicați cu ușurință. Ideea mare din spatele acestui lucru este că, în viitor, ai putea avea un modul de detectare mai scump care rămâne separat de sistem, dar electrozii în sine pot fi de unică folosință. O singură sticlă de cerneală ar putea oferi suficient material pentru a picta mai mulți electrozi.”