Modellazione diretta di conduttori organici su tessuti a maglia per lungo tempo

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 15003 (2015) Citare questo articolo

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I sensori indossabili stanno ricevendo molta attenzione poiché offrono il potenziale per diventare uno strumento tecnologico chiave per l’assistenza sanitaria. Affinché questo potenziale possa realizzarsi, è necessario integrare con i tessili nuovi materiali elettroattivi dotati di elevate prestazioni. Qui presentiamo una tecnica semplice e affidabile che consente la modellazione di polimeri conduttori sui tessuti. Gli elettrodi fabbricati utilizzando questa tecnica hanno mostrato un contatto a bassa impedenza con la pelle umana, sono stati in grado di registrare elettrocardiogrammi di alta qualità a riposo e determinare la frequenza cardiaca anche quando chi li indossava era in movimento. Questo lavoro apre la strada verso sensori elettrofisiologici impercettibili per il monitoraggio della salute umana.

I dispositivi di monitoraggio sanitario basati su prodotti tessili stanno riscuotendo molto interesse per le applicazioni mediche e di consumo1,2,3,4,5,6, dove vengono utilizzati per monitorare parametri quali la pressione sanguigna7 e il ritmo cardiaco5,6. Il vantaggio principale dei tessuti come substrati per dispositivi biomedici deriva dal fatto che stabiliscono e mantengono un contatto conforme con il corpo umano in modo non invasivo1,2,3. Per dimostrare le potenzialità di questa tecnologia sono stati infatti utilizzati magliette1,4, guanti8 e braccialetti3 dotati di sensori. Vi è un crescente interesse per lo sviluppo di elettrodi per elettrocardiografia (ECG), ai quali i tessuti possono garantire il contatto conformazionale della pelle necessario per rilevare con precisione i piccoli segnali elettrofisiologici del cuore4,5,9,10. Gli elettrodi ECG indossabili possono consentire il monitoraggio remoto delle persone a rischio, segnalare l'insorgenza di malattie cardiache e aiutare a monitorare l'attività fisica durante l'esercizio11. Nonostante il grande interesse per gli elettrodi cutanei, la modellazione dei materiali conduttori su tessuti elastici è stata ostacolata dalla loro natura tridimensionale, che rende difficile l'applicazione dei processi di modellazione convenzionali1,12,13,14. La scelta della tecnica di trasferimento del disegno è definita dal tipo di tessuto e dalla sua struttura. I filati nei tessuti e nei non tessuti sono intrecciati in una fitta rete, dando luogo a strutture molto piatte, ma per lo più non elastiche15. Le fibre dei tessuti a maglia sono assemblate a forma di serpente che può essere modificata applicando una forza meccanica alla maglia variandone il disegno. Tali fibre a forma d'onda imitano il design di una molla meccanica, fornendo al tessuto una notevole forza di resistenza quando la sua forma cambia. Solitamente il trasferimento diretto del motivo può essere eseguito su tessuti sottili e non tessuti, mentre il ricamo e il lavoro a maglia vengono utilizzati per modellare tessuti spessi e strutturati.

La stampa a microcontatto, a getto d'inchiostro e serigrafica può essere utilizzata per realizzare motivi conduttivi sui tessuti16,12. Pertanto, il trasferimento controllato di un disegno utilizzando queste tecniche su tessuti a maglia spessa può essere ostacolato. I materiali conduttivi devono essere rivestiti non solo sulla superficie della struttura a maglia ma anche all'interno, garantendo un contatto continuo tra i fili durante la sua deformazione meccanica. La stampa a microcontatto e a getto d'inchiostro consente il trasferimento diretto del motivo, che di solito viene eseguito su tessuti sottili poiché è possibile trasferire una piccola quantità di inchiostro in quel momento. Il rivestimento avviene solo sullo strato superiore del tessuto, tuttavia la conduttività del disegno viene mantenuta anche sotto allungamento. Nella serigrafia vengono utilizzati additivi per ridurre la diffusione dell'inchiostro (es. pasta d'argento) e migliorare la risoluzione spaziale17,18. Anche la viscosità degli inchiostri per la stampa a getto d’inchiostro deve essere progettata per la stampabilità19. Di conseguenza, sia nella stampa serigrafica che a getto d’inchiostro, l’ottimizzazione dell’inchiostro ha un impatto negativo sulla conduttività finale.

Il ricamo e il lavoro a maglia consistono nell'utilizzare singole fibre e successivamente nell'introdurle nella struttura del tessuto14,20,21,22. Sottili fili di acciaio inossidabile, rame o altri metalli vengono utilizzati per cucire motivi conduttivi sui tessuti mediante ricamo. Durante questi processi è necessaria una grande quantità di fili per creare un modello. Di solito tali tecniche sono ampiamente integrate nelle industrie tessili per creare interconnessioni tra sensori e sistemi elettronici di output. Inoltre, i materiali elettronici organici possono essere applicati anche tramite die-coating, in cui la fibra viene rivestita passando attraverso un ugello riempito con un materiale conduttore e quindi tessuta o lavorata a maglia durante la produzione tessile. Esempi di questo approccio includono sensori tattili ad ampia area14, componenti di cablaggio elettrico13 e transistor elettrochimici organici15 che utilizzano materiale conduttore organico come poli(3,4-etilendiossitiofene):poli(stirene solfonato) (PEDOT:PSS). Gli elettrodi realizzati in PEDOT:PSS sono stati utilizzati con successo in applicazioni cutanee evidenziando le loro elevate prestazioni rispetto a quelli commerciali. Dotato di biocompatibilità comprovata, il materiale è stato utilizzato in studi in vivo e ha dimostrato di ridurre l'impedenza elettrica rispetto agli elettrodi classici23. Ancora più importante, questo polimero disponibile in commercio può essere facilmente modificato senza comprometterne la praticità. Le proprietà reologiche di PEDOT lo rendono attraente per l'integrazione diretta con i tessuti. Una sfida chiave, quindi, per l’elaborazione di dispositivi biomedici sui tessuti è lo sviluppo di semplici tecniche di modellazione che consentano la deposizione di materiali conduttori biocompatibili solo su un’area desiderata, senza la necessità di tagliare e cucire né di additivi che influenzino la conduttività.