El proyecto NanoEDGE BMBF, coordinado por el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT, tiene como objetivo el desarrollo de una tinta a base de grafeno para la impresión de inyección de tinta y un proceso de impresión escalable, así como una cadena de proceso eficiente en el uso de recursos para la producción de electrodos para la producción directa contacto con la piel.

Los electrodos son el elemento central de los sistemas de monitoreo. Los electrodos actuales para detectar señales musculares eléctricas (EMG) o señales neuronales (EEG) están hechos de metal y provistos de una capa de gel. En mediciones a largo plazo, el gel se seca y evita mediciones confiables en el paciente.

Además de la demanda de conductividad eléctrica y contacto directo con la piel, los electrodos tienen que cumplir requisitos adicionales como biocompatibilidad, baja resistencia de contacto y alta capacidad de adoptar el contorno de la piel. Estos requisitos se pueden cumplir con electrodos impresos hechos de nanomateriales de grafeno.

Sin embargo, casi ninguna tinta de grafeno adecuada para la impresión por inyección de tinta está disponible en el mercado y, por lo tanto, también faltan procesos de impresión a escala industrial para estas tintas.

Tinta de nanopartículas de grafeno para impresión por chorro de tinta

El proyecto BMBF NanoEDGE, coordinado por el Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica IBMT, tiene como objetivo el desarrollo de una tinta a partir de nanopartículas de grafeno para la impresión por inyección de tinta y un proceso de impresión escalable, así como una cadena de proceso eficiente en el uso de recursos para la producción de electrodos para la producción directa contacto con la piel.

El desarrollo de una tinta a base de grafeno se basa en una tinta de grafeno comercial. La modificación de la tinta fue necesaria para que se pueda imprimir. Se agrega etanol para evitar burbujas y disminuir la tensión superficial de la tinta. Se agregan nanopartículas de carbono para mejorar la resistencia a la abrasión de las estructuras impresas. Se agrega un tensioactivo para mejorar la capacidad de impresión y aumentar la conductividad y la suavidad de la superficie de las estructuras impresas.

La fabricación del electrodo de la piel consiste en realizar una impresión de tinta sobre material blando seguido de un corte con cuchilla y un proceso de laminación de una capa de pasivación adhesiva. El grosor de cada uno de los componentes (tinta conductora, soporte blando y capas de pasivación) determina el acoplamiento del electrodo con la piel y, por lo tanto, la relación señal / ruido que se puede lograr.

Para aplicaciones de EEG, se puede lograr una mayor optimización de estas capas, si es necesario, reduciendo el grosor y la rigidez. Dichos electrodos ultrafinos combinados con electrónica de piel de bajo costo formarán una nueva generación de sensores portátiles.

Con estos sensores, la detección sofisticada de señales biológicas que son indicativas del estado mental, como las señales neuronales, fisiológicas y musculares, permitirá una representación más completa de los procesos mentales, mejorando así considerablemente el diagnóstico del trastorno mental y la restauración funcional.

El proceso de impresión es un proceso de dos pasos: en primer lugar, las pistas y las almohadillas de contacto se imprimen con tinta plateada. En segundo lugar, los electrodos se imprimen utilizando la tinta de grafeno modificada. Se utilizó una impresora de inyección de tinta con un cabezal de impresión de 16 inyectores para la optimización de los parámetros de impresión. Además, se desarrollaron procesos y parámetros adecuados antes y después del procesamiento. En un segundo paso, el proceso de impresión se transferirá a un sistema de inyección de tinta adecuado para la fabricación en masa.

Electrónica ponible

La electrónica portátil se basa en el BIOPOT de SensoMedical Labs LTD. El BIOPOT es un amplificador de bioimpedancia y biopotencial inalámbrico con un dispositivo de transmisión y adquisición de datos que se utiliza como plataforma para el desarrollo de productos en neurotecnología. Es un dispositivo portátil de tamaño pequeño y bajo perfil con factor de forma personalizable y permite días de monitoreo de actividad. Utiliza la última tecnología Bluetooth 5.0 de baja energía para la transmisión de datos y tiene un búfer de datos integrado. También está diseñado como un dispositivo de parche para la adquisición de datos. Está disponible en opciones de 8 o 19 canales y se puede configurar para EEG, EMG u otras lecturas de biopotencial.

Mejora del rendimiento y los procesos.

El enfoque interdisciplinario del proyecto de investigación NanoEDGE tiene como objetivo converger las técnicas de producción de electrodos funcionalizados con experiencia en fabricación y caracterización de nanomateriales, ingeniería de vanguardia y neurociencia. Por lo tanto, mejorará la producción de sensores multinivel y mejorará el rendimiento de los métodos de monitoreo como EEG y EMG. Se mejorará la electrónica de piel de última generación combinando los electrodos impresos con un diseño electrónico avanzado de electrónica portátil y transmisión de señal inalámbrica.

Además, NanoEDGE desarrollará tecnologías de producción eficientes en recursos y procesos escalables para la fabricación y funcionalización de electrodos de pequeña escala y alto rendimiento. Con este fin, los procesos a escala de laboratorio para la fabricación y funcionalización de electrodos basados ​​en nanomateriales de carbono disponibles dentro del consorcio del proyecto se combinarán con la experiencia en el desarrollo de impresoras de inyección de tinta y tecnología de impresión de inyección de tinta. Esta combinación de experiencia conducirá a nuevos procesos de producción y cadenas de procesos y simplificará la usabilidad y disminuirá los costos.

Diagnóstico de trastornos mentales y restauración funcional

Los sensores desarrollados dentro de NanoEDGE pueden usarse para la detección sofisticada de señales que son indicativas de un estado mental, como las señales neuronales, fisiológicas y musculares. Esto permitirá una representación más completa de los procesos mentales, mejorando así considerablemente el diagnóstico del trastorno mental y la restauración funcional.

Específicamente, el proyecto tendrá como objetivo la prueba de la tecnología electrónica de la piel novedosa y de bajo costo para los sistemas de neurofeedback basados ​​en EEG hacia la implementación en el diagnóstico de trastornos mentales y la restauración de la función mental. Como tal, NanoEDGE se enfoca en algunos de los desafíos económicos y sociales más apremiantes: la reducción de los costos para el tratamiento de los trastornos mentales.

Proyecto bilateral

NanoEDGE es un proyecto conjunto de I + D que comprende participantes de Alemania e Israel. Con la promoción de proyectos conjuntos de investigación germano-israelíes en nanotecnología aplicada, se establecerán nuevos impulsos que contribuyan a la intensificación y estabilización de las relaciones bilaterales.

Fuente: Instituto Fraunhofer de Ingeniería Biomédica.