Stretchable Electrodes Using Conductive Polymers for the Detection of Vital Signs in Premature Infants

La surveillance des signes vitaux des enfants prématurés est d'une importance capitale pour leur santé. Les mesures de signaux électrophysiologiques nécessitent la mise en place d'électrodes sur la peau via un adhésif, ce qui peut entraîner des dommages car la peau des prématurés ne possède pas de couche externe protectrice. Par conséquent, des méthodes de surveillance alternatives sont nécessaires pour améliorer le confort et réduire le fardeau des prématurés. Cela peut être atteint avec des électrodes flexibles et étirables qui peuvent s'adapter à la forme et aux mouvements de l'enfant tout en maintenant la qualité du signal. À ce jour, quelques études ont été réalisées sur des électrodes à base d'hydrogel présentant d'excellentes propriétés mécaniques et électriques. Cependant, leur teneur en eau les rend sujettes à la dégradation par évaporation et donc inadéquates pour la surveillance à long terme. Ce mémoire s'est concentré sur le développement et la caractérisation d'un matériau sec, imprimable, étirable, légèrement adhésif et auto-guérissant qui convient aux électrodes biomédicales pour les nourrissons prématurés. Cette recherche s'est appuyée sur les caractéristiques favorables du poly(3,4-éthylènedioxithiopène) dopé au sulfonate de polystyrène (PEDOT:PSS), un matériau conducteur dont les propriétés électriques et mécaniques peuvent être modifiées en fonction des additifs qui y sont ajoutés. Dans ce travail, nous avons étudié l'incorporation du polyuréthane diol (PUD), du polyéthylène glycol (PEG) et du sorbitol au PEDOT:PSS afin de développer un mélange imprimable optimisé. Comme ces combinaisons améliorent considérablement les propriétés mécaniques et électriques du PEDOT:PSS, nous avons évalué ces propriétés à l'aide d'un testeur électromécanique. Nous avons également quantifié leur adhérence sur différentes surfaces afin d'évaluer leur compatibilité comme électrodes épidermiques. En outre, nous avons évalué la biocompatibilité du matériau afin de vérifier son innocuité pour une application cutanée. Nous avons également démontré les propriétés d'autoguérison électrique du PUD/PEDOT:PSS.

Abstract

Monitoring vital signs of prematurely born children is of utmost importance for their health. The measurements of electrophysiological signals require the placement of electrodes on the skin via an adhesive, which can cause damage as premature skin lacks a protective outer layer. Therefore, alternative monitoring methods are needed to increase comfort and reduce the burden on premature infants. This can be achieved with flexible and stretchable electrodes that can adapt to the shape and movements of the child while maintaining signal quality. To date, a few studies on hydrogel-based electrodes with excellent mechanical and electrical properties have been reported. However, their water content makes them prone to degradation from evaporation, and therefore unsuitable for long term monitoring. This study focused on the development and characterization of a dry, printable, stretchable, lightly adhesive, and self-healing material suitable for biomedical electrodes for premature infants. This research leveraged the favorable characteristics of poly(3,4-ethylenedioxithiopene) doped with polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), a conductive material with tunable electrical and mechanical properties depending on the used additives. In this work, we explored the incorporation of polyurethane diol (PUD), polyethylene glycol (PEG), and sorbitol as additives to PEDOT:PSS to develop an optimized printable mixture. As these combinations significantly enhance both the mechanical and electrical properties of PEDOT:PSS, we evaluated these properties on an electromechanical tester. We also quantified their adhesion on different substrates to evaluate their suitability for epidermal electrodes. Moreover, to verify the material’s safety for skin application, we assessed its biocompatibility. In addition, we demonstrated the full electrical self-healing properties of PUD/PEDOT:PSS. The potential biomedical application of this material was further demonstrated through the fabrication of a printed epidermal electrode on a stretchable silicone substrate. The resulting electrodes displayed skin-electrode impedance comparable to that of a commercially available alternative and successfully captured physiological signals, including electrocardiogram (ECG) and electromyogram (EMG) signals.