Flexibele en duurzame bio-elektroden: de toekomst van draagbare gezondheidszorgproducten

Het gebruik van draagbare elektronica die continu biosignalen monitort, heeft de gezondheidszorg- en fitnessindustrieën getransformeerd. Deze apparaten worden steeds gebruikelijker en zullen naar verwachting een marktwaarde van ongeveer USD 572,06 miljard bereiken in 2033.

Met deze snelle groei is er een toenemende vraag naar hoogwaardige bio-elektroden die biosignalen nauwkeurig kunnen registreren gedurende langere perioden. Veel van de materialen die momenteel worden gebruikt voor bio-elektroden, zoals metalen, geleidende polymeren en hydrogels, hebben echter beperkingen. Ze missen vaak de flexibiliteit om de huid uit te rekken zonder te breken en hebben een lage vochtdoorlaatbaarheid, wat leidt tot zweetophoping en ongemak.

Om deze beperkingen aan te pakken, is in een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift NPG Azië Materialen Op 20 juni 2024 heeft een onderzoeksteam onder leiding van universitair docent Tatsuhiro Horii en universitair docent Toshinori Fujie van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) een bio-elektrodemateriaal ontwikkeld dat rekbaar en vochtdoorlatend is en zich nauw aanpast aan de huid.

Dit innovatieve materiaal is samengesteld uit lagen geleidende vezelige netwerken bestaande uit enkelwandige koolstofnanotubes (SWCNT’s) op een rekbare poly(styreen-b-butadieen-b-styreen) (SBS) nanosheet. De nanosheet past zich strak aan de huid aan, wat nauwkeurige biosignaalmetingen mogelijk maakt, terwijl de koolstofnanotubevezels de rekbaarheid en vochtdoorlaatbaarheid van het materiaal behouden.

“Zelfdragende elektroden die rekbaar, vochtdoorlatend en aanpasbaar aan de bultjes op het huidoppervlak zijn, zijn nodig om de natuurlijke vervorming van de huid mogelijk te maken zonder de lichaamsbewegingen te beperken”, aldus Horii.

De onderzoekers pasten SWCNT’s toe als waterige dispersies op SBS-nanosheets, waardoor meerdere lagen ontstonden die een dikte bereikten van slechts 431 nm. Elke laag SWCNT’s verhoogde de dichtheid en dikte van de vezels, waardoor de eigenschappen van de bio-elektrode werden aangepast. Terwijl het toevoegen van meer SWCNT-lagen de stijfheid van de nanosheet verhoogde (van een initiële elasticiteitsmodulus van 48,5 MPa tot 60,8 MPa voor een enkele laag en 104,2 MPa voor vijf lagen), behield de bio-elektrode een indrukwekkende flexibiliteit.

Pristine SBS nanosheets en die met één of drie lagen SWCNT’s (SWCNT 3rd-SBS) rekten elastisch uit tot 380% van hun oorspronkelijke lengte voordat ze permanent vervormden. Deze flexibiliteit overtreft metalen elektroden zoals goud, die Young’s moduli hebben in het bereik van enkele honderden GPa en slechts minder dan 30% van hun oorspronkelijke lengte kunnen uitrekken voordat ze breken.

Een andere cruciale vereiste voor bio-elektroden is een hoge waterdampdoorlaatbaarheid om zweetophoping tijdens het sporten te voorkomen. Het toevoegen van SWCNT’s is gunstig omdat de vezelige netwerkstructuur de ademendheid verbetert in vergelijking met continue films. In experimenten waarbij de waterdamptransmissiesnelheid (WVTR) werd gemeten, ontdekten onderzoekers dat SWCNT 3rd-SBS een WVTR van 28.316 gm vertoonde^-2 (2 uur)^-1wat twee keer zoveel is als een normale huid.

Het bio-elektrodemateriaal is ook zeer veerkrachtig voor langdurig gebruik. Om de duurzaamheid van het materiaal te testen, dompelden de onderzoekers de bio-elektroden onder in kunstmatig zweet en stelden ze bloot aan herhaaldelijk buigen, waarbij de verandering in weerstand werd gemeten.

In deze tests ontdekten ze dat de weerstand verwaarloosbaar toenam, met slechts 1,1 keer in zweet en met 1,3 keer over 300 buigcycli. Bovendien vertoonden de SWCNT 3rd-SBS nanosheets weinig tot geen loslating na tien keer wrijven, wat aangeeft dat ze geschikt zijn voor langdurig gebruik.

Om de prestaties in de echte wereld te beoordelen, vergeleken de onderzoekers een SBS-nanosheet met drie lagen SWCNT met commercieel verkrijgbare bio-elektrodematerialen zoals Ag/AgCl-gelelektroden. De bio-elektroden werden aan de onderarm bevestigd en oppervlakte-elektromyografie (sEMG)-metingen werden uitgevoerd tijdens grijpbewegingen.

In dit experiment waren de prestaties van de SWCNT-SBS-nanosheet vergelijkbaar met die van commerciële Ag/AgCl-gelelektroden, waarbij vergelijkbare signaal-ruisverhoudingen van respectievelijk 24,6 dB en 33,3 dB werden behaald.

“We hebben bio-elektroden verkregen die zich aanpassen aan de huid en een hoge waterdampdoorlaatbaarheid hebben. Deze elektroden presteerden bij sEMG-metingen vergelijkbaar met conventionele elektroden”, concludeert Fujie, die de veelbelovende mogelijkheden van het materiaal voor draagbare apparaten in de gezondheidszorg benadrukt.