The Internet of Things (IOT) is a widely engaging topic in various research areas related to wearable, clinical applications. Biomedical system such as personal health monitors in real-time is feasible through IOT systems. Wearable bioelectronics have received great deal of attention in the past decade due to their great potential in personalized health management through non-invasive monitoring of health indicators.
Fusion of physical and chemical sensing onto a single platform cannot only provide information for physical parameter such as Electrocardiogram (ECG) but also offer more insightful and detailed chemical parameters from biofluids such as sweat for more comprehensive evaluation of personal health state. From monitoring glucose and lactate level with ECG, biosensor can prevent the exerciser from hypoglycemic shock during intense exercise.
Although wearable sensors based on stretchable electronics have been developed recently, the approach of stretchable biosensor is restricted to large deformation. Brittle materials such as SU-8 and Parylene are used as encapsulation layer for biosensors detecting analytes in sweat. For high integrity of stacked layers under strain, stretchable conductor comprised with intrinsically stretchable components can be an alternative for stretchable electrode.
In this work, stretchable electrode is fabricated to monitor biochemical and biophysical information using Ag flake and elastomeric material, Eco-flex, with encapsulation of photo-patterned PDMS. Through photo-patterned PDMS encapsulation, the variation of normalized resistance of conductor decrease in stretching condition resulted from micro-crack induced by the strain.
In addition, stretchable enzymatic biosensor detecting analytes such as glucose and lactate in sweat is fabricated via Ag stretchable electrode with photo-patterned PDMS. Electrodeposition is carried out on Au modified electrode to stably deposit polymers for functionalizing at active sites. Also humidity and pH sensor for assistant sensor is fabricated to precisely detect the biochemical information. Glucose and lactate concentration is measured under 40% strain. The stretchable biosensor functionalized by PEDOT:PSS shows lower site impedance than conventional Ag/Agcl electrode , thereby it can be used as the electrode to monitor ECG in real time as well.
최근 들어 사물 인터넷(IOT)의 발달로 웨어러블 장비를 통한 개인 맞춤 의료 서비스에 관심이 많아지고 있다. 개인 맞춤 의료 서비스는 실시간으로 개인의 건강 상태를 웨어러블 장비에 있는 센서를 통해 관찰하여 데이터를 수집하고 이를 바탕으로 예방할 수 있는 시스템이다. 계속적인 개인의 상태를 관찰하기 위해서는 안정적으로 생체 신호를 측정 할 수 있는 기기의 역할이 매우 중요하다.
이러한 기기들을 인체의 피부에 접합 시키기 위해서는 기존의 딱딱한 실리콘 계열의 물질에서 벗어나 영률이 낮고 변형에 유리한 신축성 있는 물질로 이루어져야 한다. 기존의 체외에서 측정 가능한 바이오 센서들은 신축성 전극 위에 영률이 높고 딱딱한 재료인 SU-8, Parylene와 같은 재료들의 캡슐화를 통해 제작 되었다. 따라서 기계적 변형에 제한적인 특징을 보인다.
본 연구에서는 은플레이크를 실리콘 계열의 탄성체인 Eco-flex 와 섞어, 자체적으로 늘어 날 수 있는 재료를 이용하여 신축성 전극을 제작하였다. 안정성을 부여하기 위해 신축성 전도체 위에 탄성체인 PDMS를 광패턴방식으로 캡슐화하였다. 이를 통해 기계적 변형에도 낮은 W/L ratio를 갖지만, 저항 변화 차이가 감소된 신축성 전극을 구현했다.
PDMS 광패턴방식으로 형성된 5개의 채널에 기능성 재료들을 안정적으로 적층하고자 금을 우선적으로 전기도금하여 증착하였다. 각각의 채널은 습도와 pH, 포도당, 젖산, 심전도를 측정하기 위해 각기 다른 물질인 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 과 Polyaniline (PANi), Glucose Oxidase (GOx), Lactate Oxidase (LOX), PEDOT:PSS로 기능화하였다. 땀의 유무를 확인하기 위해 습도 센서를 제작하였고, 땀 성분의 농도 편차를 보정하고자 pH 센서를 제작하였다. 땀 성분인 포도당과 젖산을 40%까지 변형을 가하면서 측정하였다. 임피던스 측정을 통해 제작한 신축성 전극이 기존에 심전도 측정을 위해 쓰이는 Ag/AgCl 전극보다 효과적인 것을 확인하였다.
