ニット生地上に有機導体を長時間直接パターニング

Scientific Reports volume 5、記事番号: 15003 (2015) この記事を引用

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8 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ウェアラブル センサーは、ヘルスケアの重要な技術ツールとなる可能性があるため、大きな注目を集めています。 この可能性を実現するには、高性能をもたらす新しい電気活性材料を繊維と統合する必要があります。 ここでは、織物上に導電性ポリマーをパターン化できる、シンプルで信頼性の高い技術を紹介します。 この技術を使用して製造された電極は、人間の皮膚との低インピーダンス接触を示し、安静時に高品質の心電図を記録し、装着者が動いているときでも心拍数を測定することができました。 この研究は、人間の健康状態を監視するための知覚できない電気生理学センサーへの道を切り開きます。

繊維ベースの健康監視デバイスは、消費者および医療用途で大きな関心を集めており、血圧 7 や心拍リズム 5,6 などのパラメーターの監視に使用されています。 生物医学機器の基材としてのテキスタイルの主な利点は、テキスタイルが非侵襲的な方法で人体との等角接触を確立し、維持するという事実に由来します 1,2,3。 実際、センサーを備えたシャツ 1、4、手袋 8、リストバンド 3 がこのテクノロジーの可能性を実証するために使用されています。 心臓の小さな電気生理学的信号を正確に検出するために必要な、布地による皮膚との等角接触を実現できる心電図 (ECG) 電極の開発への関心が高まっています 4,5,9,10。 ウェアラブル ECG 電極は、危険にさらされている人々の遠隔監視を可能にし、心臓病の発症を知らせ、運動中の身体活動の監視に役立ちます 11。 皮膚電極に対する大きな関心にもかかわらず、伸縮性布地上の導電性材料のパターニングは、その三次元的性質によって妨げられており、そのため従来のパターニングプロセスの適用が困難になっています1、12、13、14。 パターン転写技術の選択は、テキスタイルの種類とその構造によって決まります。 織布と不織布の糸は緻密な網目状に織り込まれており、その結果、非常に平らではあるものの、ほとんど伸縮性のない構造になります15。 ニットテキスタイルの繊維は蛇の形に組み立てられており、ニットに機械的な力を加えることで変形し、デザインを変えることができます。 このような波形繊維は機械的なバネの設計を模倣し、形状が変化するときに繊維にかなりの抵抗力を与えます。 通常、パターンの直接転写は薄い織布や不織布に行うことができますが、刺繍や編み物は厚くて構造化された布地のパターンに使用されます。

マイクロコンタクト印刷、インクジェット印刷、およびスクリーン印刷は、織物上に導電性パターンを作成するために使用できます16、12。 したがって、厚手のニット生地にこれらの技術を使用してパターンを制御して転写することが妨げられる可能性があります。 導電性材料は編み構造の表面だけでなく内部にもコーティングされ、機械的変形中に糸同士が連続的に接触できるようにする必要があります。 マイクロコンタクト印刷とインクジェット印刷では、一度に少量のインクを転写できるため、通常は薄い布地に直接パターンを転写できます。 コーティングはテキスタイルの最上層にのみ行われますが、パターンの導電性は伸張下でも維持されます。 スクリーン印刷では、インク (銀ペースト) の広がりを抑え、空間解像度を向上させるために添加剤が使用されます 17,18。 インクジェット印刷インクの粘度も、印刷適性を考慮して設計する必要があります19。 その結果、スクリーン印刷とインクジェット印刷の両方において、インクの最適化は最終的な導電率に悪影響を及ぼします。

刺繍と編み物は、個々の繊維を使用し、その後それらを織物の構造に導入することで構成されます14、20、21、22。 細いステンレス鋼、銅、またはその他の金属線を使用して、布地に導電性パターンを刺繍で縫い付けます。 これらの工程ではパターンを作成するために大量のワイヤーが必要になります。 通常、このような技術は繊維産業で主に統合されており、センサーと出力電子システム間の相互接続を作成します。 さらに、有機電子材料は、ダイコーティングによっても適用できます。ダイコーティングでは、繊維が導電性材料で満たされたノズルを通ってコーティングされ、織物製造中に織られたり編まれたりします。 このアプローチの例には、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン):ポリ(スチレンスルホン酸) (PEDOT:PSS) などの有機導電性材料を使用した大面積タッチセンサー14、電気配線部品13、有機電気化学トランジスタ15が含まれます。 PEDOT:PSS で作られた電極は、皮膚用途での使用に成功しており、市販のものと比較してその高性能が強調されています。 生体適合性が証明されているこの材料は、生体内研究で使用されており、従来の電極に比べて電気インピーダンスを低下させることが示されています 23。 最も重要なことは、この市販のポリマーは実用性を損なうことなく簡単に変更できることです。 PEDOT のレオロジー特性により、繊維と直接統合するのが魅力的です。 したがって、テキスタイル上での生体医療デバイスの精緻化における重要な課題は、切断や縫製も、導電性に影響を与える添加剤も必要とせず、所望の領域にのみ導電性生体適合性材料を堆積できる単純なパターニング技術の開発である。