Ученые Пенсильванского государственного университета разработали токопроводящие чернила, которые можно наносить прямо на кожу в виде красочных рисунков на заказ, превращая их в функциональный электрод для биомониторинга после высыхания. Они описали свою работу в новой статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Как сообщалось ранее, эпидермальная электроника, крепящаяся к коже с помощью временных татуировок (электро-тату), существует уже более десяти лет. Эти электро-тату соединяются с кожей без клея, практически незаметны и обычно наносятся как временные татуировки, позволяя проводить электрические измерения (а также другие измерения, такие как температура и деформация) с помощью ультратонких полимеров со встроенными элементами схем. Однако они плохо работают на изогнутых и/или волосистых поверхностях и требуют индивидуального размещения электродов для покрытия больших площадей, так как биосигналы распределены пространственно. Поэтому ученые проявили креативность. Например, в 2024 году исследователи разработали специальные полимерные токопроводящие чернила, которые можно печатать на коже головы для измерения мозговых волн, даже если есть волосы.

Инженер-механик Penn State Ларри Ченг, соавтор новой статьи в PNAS, уже более 10 лет работает над конструкциями электродов для биомониторинга, включая ЭЭГ, ЭКГ и ЭМГ. Использование жестких материалов, таких как металлы, обеспечивает стабильный биомонитор, но он легко смещается при чрезмерном движении носителя, например, во время тренировки. В последние годы в качестве альтернативных материалов появились гидрогели, так как они могут впитывать воду, набухать и растягиваться вместе с кожей во время движения. Но гидрогели довольно быстро деградируют и теряют эти преимущества при длительном использовании. Пот или волосы также могут снижать точность записи биосигналов, поскольку коммерческие электроды изготавливаются заранее и затем накладываются на кожу, создавая воздушный зазор, который ослабляет показания датчиков.

Ченг и его коллеги решили разработать свои токопроводящие чернила для решения этой проблемы. Они смешали несколько различных полимеров и кислотных добавок в водном растворе этанола и поливинилового спирта. PEDOT:PSS (поли(3,4-этилендиокситиофен): поли(стиролсульфонат)) обеспечивал электропроводность, а DBSA (4-додецилбензолсульфоновая кислота) служил пластификатором, придавая чернилам гибкость. Команда милосердно сократила громоздкое название своих новых чернил до WE-PPD. «Эти чернила ведут себя почти как грим для лица, — сказал Ченг. — Сначала они почти прозрачные, но вы можете добавить пищевой краситель, чтобы придать чернилам любой цвет, необходимый для создания любого рисунка, который вы задумали — например, мультяшного героя или Супермена. Это позволяет полностью персонализировать носимое устройство в соответствии с предпочтениями человека». Поскольку чернила заполняют контуры кожи, полученный электрод имеет очень высокую связь с кожей и, следовательно, лучшее качество записи сигнала. Их также можно встраивать в пористую серебряную текстуру и интегрировать с жесткими устройствами.

Нарисованные датчики были протестированы в лаборатории на людях для мониторинга сердечной деятельности во время бега на беговой дорожке и поднятия тяжестей; распознавания жестов для управления протезом роботизированной руки; и мозговой активности (ЭЭГ), регистрируемой через волосы, пока соавтор занимался повседневными делами. Нарисованные электроды могли растягиваться до 170% перед разрушением, по словам авторов, имели гораздо более высокую паропроницаемость, чем стандартные медицинские пленки, и не вызывали раздражения кожи при длительном использовании. «Хотя мы тестировали ежедневное использование в течение 12 часов, это не предел для этих электродов, — сказал Ченг. — Сами электроды можно смыть и легко нанести заново. Основная идея в том, что в будущем у вас может быть более дорогой сенсорный модуль, который остается отдельным от системы, но сами электроды могут быть одноразовыми. Одного флакона чернил может хватить для создания нескольких