Avances en la investigación de la tecnología de recubrimiento de electrodos flexibles y no invasivos para la adquisición de EMG superficial

I. Introducción

Como medio no invasivo de detección de la actividad eléctrica muscular, la electromiografía superficial (semg) desempeña un papel cada vez más importante en los campos de la medicina de rehabilitación, la ciencia del movimiento, la interacción hombre - computadora y la ingeniería neurológica. Con el rápido desarrollo de dispositivos médicos portátiles y tecnología electrónica flexible, los requisitos de rendimiento de los Electrodos de adquisición SEMG están mejorando constantemente, lo que requiere no solo una buena conductividad eléctrica y fidelidad de la señal, sino también flexibilidad, biocompatibilidad y comodidad de uso a largo plazo.

Como eslabón clave para mejorar el rendimiento de los electrodos flexibles, la tecnología de recubrimiento de electrodos determina directamente la conductividad eléctrica, la resistencia al contacto, la relación señal - ruido y la vida útil de los electrodos. En los últimos años, se han logrado avances significativos en la innovación de materiales de recubrimiento y procesos en torno a electrodos flexibles semg, proporcionando un sólido soporte técnico para la adquisición de señales EMG no invasivas de alto rendimiento.

II. requisitos técnicos para el recubrimiento flexible de electrodos SEMG

La capa de recubrimiento de los electrodos flexibles SEMG debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:

• Baja resistencia al contacto.La resistencia de la interfaz electrodo - piel es un parámetro clave que afecta la calidad de la señal. Baja resistencia significa una mayor eficiencia de transmisión de señal y una mejor relación señal - ruido. Los estudios han demostrado que la resistencia de la interfaz se puede reducir efectivamente a través de una selección razonable de materiales de recubrimiento y optimización del proceso.
• Alta conductividad y estabilidad.La capa de recubrimiento debe tener excelentes propiedades eléctricas y mantener propiedades eléctricas estables en condiciones de flexión repetida, tracción y otras deformaciones mecánicas.
• Buena biocompatibilidad.Como dispositivo en contacto directo con la piel, el material de recubrimiento debe ser no tóxico y no irritante para cumplir con los requisitos de bioseguridad de uso a largo plazo.
• Flexibilidad y adherencia.La capa de recubrimiento debe integrarse firmemente con un sustrato flexible y no debe caerse ni agrietarse en escenarios de uso dinámico como curvas y distorsiones.

3. los principales materiales de recubrimiento y sus características

3.1 materiales de recubrimiento metálico

Kim (au).Debido a su excelente conductividad eléctrica, estabilidad química y biocompatibilidad, el oro se ha convertido en uno de los materiales preferidos para el recubrimiento flexible de electrodos semg. Los estudios han demostrado que los electrodos chapados en oro (unos 2 micras de espesor) sobre un sustrato flexible de poliimida (pi) tienen una resistencia más baja y pueden obtener una línea de base estable y una buena señal semg. El electrodo de película de oro preparado por el método de chapado químico es simple y rentable, y se puede lograr en condiciones experimentales convencionales.

Plata (ag) y plata / cloruro de plata (ag / agcl1).El cloruro de plata / plata es el sistema de materiales más común en los electrodos biopotenciales, generalmente mediante la deposición electroquímica de una fina capa de cloruro de plata en los Electrodos de plata. En los últimos años, la tinta de electrodo seco AG / agc1 impresa en 3D estirable ha proporcionado nuevas ideas para la fabricación de electrodos flexibles. Además, los Electrodos de fibra recubiertos de plata mejoran la flexibilidad al tiempo que garantizan la conductividad eléctrica mediante la construcción de una estructura multicanal tridimensional.

Cobre (cobre).El cobre tiene una buena conductividad eléctrica y ventajas de costo, y a menudo se combina con oro y otros materiales. A través del recubrimiento de cobre sin electrodomésticos combinado con la tecnología de modificación sin daños, se puede lograr una metalización eficiente en sustratos flexibles como pet.

3.2 materiales de recubrimiento a base de carbono

Los materiales a base de carbono, como los nanotubos de carbono (cnt) y el grafeno, han atraído mucha atención en el campo de los electrodos flexibles SEMG debido a sus excelentes propiedades eléctricas, mecánicas flexibles y ligeras.

La Universidad Tecnológica de Tokio ha desarrollado un electrodo biológico ultradelgado y conductor, que forma una estructura de malla de fibra mediante la aplicación de un material conductor en forma de fibra de nanotubos de carbono de una sola capa (swcnt) en una película elástica, cuya relación señal - ruido es comparable a la de los Electrodos de gel comercializados en el mercado.

Los electrodos flexibles de Grafeno se pueden depositar en la superficie de la lámina de cobre a través del método de deposición química por vapor (cvd), y luego se pueden preparar mediante la aplicación de polímeros flexibles y el grabado de la lámina de cobre. Las películas de Grafeno de una sola capa tienen excelentes propiedades eléctricas y mecánicas, lo que puede reducir efectivamente la pérdida e interferencia de las señales EMG superficiales. La resistencia al contacto de los Electrodos de Grafeno poroso inducidos por láser puede ser tan baja como unos 17 k¿ Omega (100 hz).

3.3 materiales de recubrimiento de polímeros conductores

PEDOT:PSS。Polímero (3,4 - óxido de etileno): sulfonato de poliestireno (pedot: pss) es uno de los polímeros conductores más ampliamente estudiados en la actualidad. Pedot: el recubrimiento pss puede reducir la resistencia al contacto de los electrodos textiles en más del 85%, al tiempo que inhibe la oxidación metálica. En la estructura tridimensional del electrodo de microcuenta, el recubrimiento pedot: pss puede mejorar la resistencia del electrodo hasta un 99,3%. Pedot: el recubrimiento nanocompuesto de PSS y mxene muestra excelentes propiedades en la piel electrónica estirable.

3.4 materiales bidimensionales emergentes como mxene

Mxene (como ti ₃ c ₓ t) es una clase emergente de carbono / nitruro de metales de transición bidimensionales, que tiene conductividad eléctrica de grado metálico (hasta 2000 S / m) y excelentes propiedades de procesamiento de soluciones. Los electrodos flexibles basados en mxene pueden realizar la adquisición de señales EMG superficiales sin gel, alta densidad y alta resolución, mostrando un gran potencial en el campo de la próxima generación de electrodos biológicos flexibles.

IV. tecnología típica del proceso de recubrimiento

4.1 proceso de impresión flexible

El proceso de impresión flexible es una ruta técnica madura para la preparación de matrices de electrodos semg. El proceso utiliza materiales flexibles como poliimida (pi) como soporte para formar recubrimientos conductores en áreas designadas mediante impresión. La matriz de electrodos preparada con este proceso tiene las ventajas de pequeño tamaño, bajo costo y producción en masa. El material portador del electrodo puede ser tan delgado como 50 micras de espesor, tiene una alta flexibilidad mecánica y puede adaptarse a diversas superficies de piel dobladas.

4.2 tecnología de impresión por inyección de tinta

Como tecnología de fabricación aditiva, la impresión por inyección de tinta proporciona una gran comodidad para la rápida creación de prototipos y el diseño personalizado de electrodos flexibles. Los investigadores pasan por la flexibilidad en kapton ® La tinta a base de plata impresa a inyección de tinta en el sustrato ha preparado con éxito una matriz de electrodos SEMG de alta densidad, que ha logrado buenas propiedades eléctricas en términos de resolución, resistencia e resistencia de contacto electrodo - piel.

4.3 recubrimiento por pulverización de magnetrón

El chorro de magnetrón es una tecnología que bombardea el objetivo a través de partículas de alta energía en un ambiente de vacío, haciendo que los átomos del objetivo se depositen en la superficie del sustrato para formar una película delgada. Este método se puede utilizar para preparar películas conductoras metálicas uniformes y densas sobre sustratos flexibles. Al salpicar la capa metálica al vacío en la superficie de la matriz de electrodos de microaguja flexible, se puede obtener un recubrimiento de electrodos de textura uniforme, con un proceso simple, bajo costo y fácil producción en masa. La tecnología de pulverización de magnetrón también se puede utilizar para el tratamiento de metalización de electrodos de tela.

4.4 chapado químico y depósito electroquímico

El recubrimiento químico (sin depósito eléctrico) y el depósito electroquímico son importantes medios complementarios para la preparación de recubrimientos metálicos. El chapado químico en oro puede lograr la preparación de electrodos de película de oro en condiciones experimentales convencionales, con un proceso simple y una alta relación costo - beneficio. Los Electrodos de plata / cloruro de plata generalmente forman una fina capa de cloruro de plata en la superficie del electrodo de plata a través de la deposición electroquímica.

4.5 proceso de pulverización y recubrimiento

El proceso de pulverización puede depositar el material conductor directamente en forma de película en un sustrato flexible o incluso pulverizarlo directamente en la superficie de la piel. Al pulverizar tinta de nanoplaca bidimensional biocompatibilidad, se puede formar una película conforme van der Waal en la superficie del cuerpo para realizar la adquisición de señales bioeléctricas de baja resistencia. El Polímero conductor pedot: pss también se puede aplicar a electrodos de Grafeno poroso tridimensionales mediante recubrimiento por pulverización.

V. optimización del rendimiento de la tecnología de recubrimiento

5.1 reducir la resistencia al contacto

El desafío central de los electrodos flexibles SEMG es reducir la resistencia de la interfaz electrodo - piel. Los estudios han demostrado que el proceso de chapado en oro puede reducir la resistencia del electrodo a un nivel bajo. La resistencia al contacto de los electrodos textiles se puede reducir en más del 85% mediante la modificación del recubrimiento pedot: pss. Electrodos secos impresos en 3D basados en procesos de cobre y oro sin electrodomésticos, la resistencia media del electrodo a la piel a una frecuencia de 50 Hz puede alcanzar los 66,7 kohm, lo que es comparable a los electrodos húmedos comerciales.

5.2 mejorar la relación señal - ruido

La relación señal - ruido (snr) es el indicador central para medir la calidad de la señal del electrodo. Los materiales a base de carbono destacan en este aspecto: la relación señal - ruido de los Electrodos de Grafeno inducidos por láser puede alcanzar los 48.659 db, y la relación señal - ruido de los Electrodos de óxido de Grafeno reducido (rga) puede alcanzar los 16.8db.

5.3 mejora de la estabilidad mecánica

La estabilidad del rendimiento de los electrodos flexibles en condiciones de deformación repetida es crucial. El electrodo EMG de superficie flexible (pdms / pulpa de plata / esqueleto de fibra) de tres capas mostró una excelente estabilidad mecánica con una tasa de variación de resistencia inferior al 3% después de 1000 curvas.

VI. perspectivas y perspectivas de aplicación

Con la integración cruzada de electrónica flexible, nanomateriales y tecnología de fabricación avanzada, la tecnología de recubrimiento de electrodos flexibles y no invasivos SEMG se está desarrollando rápidamente hacia un mayor rendimiento, menor costo y uso más cómodo.

• Matriz SEMG de alta densidad.Los avances en la tecnología de recubrimiento han hecho posible la preparación de conjuntos de electrodos de alta densidad, proporcionando una base de hardware para la adquisición de información espacio - temporal de alta definición de la actividad muscular.
• Monitoreo vestible a largo plazo.Los electrodos secos flexibles no requieren gel conductor, lo que evita problemas como la deshidratación de los electrodos húmedos tradicionales y la irritación de la piel, y es adecuado para escenarios de monitoreo continuo a largo plazo.
• Interacción hombre - computadora inteligente.El sistema SEMG portátil basado en una matriz de electrodos secos conformes ha logrado la clasificación en tiempo real del reconocimiento de gestos, con una precisión de reconocimiento de más del 97%.

En el futuro, con la aparición continua de nuevos materiales de recubrimiento (como mxene, materiales compuestos de polímeros conductores) y la optimización continua de los procesos de recubrimiento (como impresión en rollo, pulverización a gran escala), se espera que los electrodos flexibles y no invasivos SEMG desempeñen un papel más importante en la medicina inteligente, la rehabilitación deportiva, la interacción de realidad virtual y Otros campos.

7. academia avanzada (shenzhen) Technology co., ltd.: liderando la innovación tecnológica del recubrimiento de electrodos flexibles

Fundada en 2016, Advanced Academy (shenzhen) Technology co., Ltd. (en adelante, "advanced Academy technology") es una empresa de alta tecnología centrada en materiales de blindaje, materiales aislantes, materiales conductores de calor y recubrimientos de metales preciosos. La compañía tiene una marca registrada independiente "research platinum", tiene bases de producción en Shenzhen y dongguan, ha pasado la certificación del sistema de gestión de calidad iso9001, y sus productos cumplen con las normas militares pertinentes de gjb 773a y los requisitos ambientales de rohs.

En el campo del recubrimiento de electrodos flexibles, la tecnología avanzada de la Academia toma la tecnología de recubrimiento metálico como el núcleo y desarrolla tres tipos de soluciones de recubrimiento de sustratos flexibles: recubrimiento de plata, recubrimiento de oro y recubrimiento de platino. La compañía ha construido de forma independiente una línea de producción de bobinas de pulverización de magnetrón y evaporación al vacío, que puede depositar continuamente capas metálicas en la superficie de una variedad de películas poliméricas flexibles, como Pi (poliimida), PET y fep, con ventajas tecnológicas como recubrimiento uniforme, fuerte adherencia y apoyo al suministro a gran escala. En respuesta al problema de la falta de fuerza de unión entre el metal y el sustrato polimérico, la compañía ha desarrollado un proceso de pretratamiento de plasma para mejorar efectivamente la resistencia de unión entre el sustrato y la capa metálica; En el proceso de chapado en oro, se adopta la tecnología de chapado en oro sin cianuro, teniendo en cuenta la protección del medio ambiente y la seguridad.

La serie de productos de electrodos flexibles estirables para relojes de cuero lanzada por la Ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia adopta una estructura compuesta de un sustrato elástico y una capa funcional de alta conductividad eléctrica, que puede ajustarse estrechamente a la curva del cuerpo humano y recoger continuamente señales SEMG de alta calidad en entornos dinámicos como el Movimiento y La contracción muscular. La compañía domina los nanotubos de carbono, el grafeno, PEDOT:PSS、 Los sistemas de materiales de capas funcionales conductoras múltiples, como el cable de nano de plata y mxene, pueden personalizar flexiblemente el esquema de electrodos de acuerdo con diferentes escenarios de aplicación. Además, el purín de electrodos de platino de la serie de investigación de platino desarrollado por la compañía proporciona soporte de materiales de alto rendimiento para aplicaciones de electrodos biológicos con excelentes propiedades eléctricas, biocompatibilidad extraordinaria y capacidad de trabajo estable a largo plazo.

Desde el recubrimiento de metales preciosos de sustratos flexibles hasta el tamaño de electrodos biológicos, desde el electrodo estirable de la superficie de la piel hasta la solución de recubrimiento de sonda neuronal, la tecnología avanzada de la Academia continúa promoviendo la innovación e industrialización de la tecnología de recubrimiento de electrodos flexibles y no invasivos. En el futuro, la compañía continuará cultivando profundamente el campo de los materiales electrónicos flexibles para proporcionar componentes y soluciones centrales de alto rendimiento y alta confiabilidad para aplicaciones de vanguardia como la adquisición de EMG superficial, el monitoreo de la salud wearable y la interfaz cerebro - computadora.

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