Hydrogel-PDMS conjunctions for Biomonitoring Patches

Abstract

Os dispositivos de saúde vestíveis, que permitem fazer uma monitorização contínua dos sinais fisiológicos, podem ser uma ferramenta poderosa para realizar diagnósticos precoces, monitorizar doenças crónicas e executar regimes terapêuticos. Por estas razões, os dispositivos de saúde vestíveis têm atraído uma vasta atenção da comunidade científica e de um grande número de empresas relacionadas com esta área.Ao longo dos últimos anos, têm-se desenvolvido sensores vestíveis para biomonitorização. Contudo, uma grande parte destes dispositivos não possui deformabilidade suficiente para se adaptar à curvatura e ao movimento do corpo. Neste contexto, os hidrogéis robustos são um material atrativo uma vez que são maioritariamente compostos por água, possuem permeabilidade para diferentes moléculas e apresentam boa deformabilidade. A sua semelhança biofisiológica com os tecidos biológicos faz deles um material interessante para utilização em interface com a pele. A combinação destes hidrogéis robustos com PDMS pode aumentar a sua robustez mecânica e o leque de possíveis aplicações.Nesta dissertação, o processo de fabricação do híbrido hidrogel-PDMS é combinado com o processo de fabricação de sistemas de multicamadas deformáveis. Baseadas no sucesso desta combinação, foram demonstradas duas possíveis aplicações diferentes para os adesivos de biomonitorização com elétrodos hidrogel-PDMS: sensores de GSR e sensores de EMG.Através de uma análise de impedância, demonstramos que os elétrodos hidrogel-PDMS possuem baixa impedância elétrodo-pele, o que permite obter um sinal biológico de boa qualidade. Isto foi provado pelo bom sinal obtido com os sensores de EMG.Além disto, o adesivo de medição da GSR foi utilizado para medir alterações na resistência da pele, durante a realização de exercício físico e exposição a estímulos sonoros. O teste de exercício físico produziu alterações evidentes mas alguns dos estímulos utilizados no teste de stresse não provocaram alterações percetíveis na resistência da pele. A emoção mais evidente foi o medo induzido pela visualização de um excerto de um filme de terror, que causou uma visível diminuição na resistência da pele.Em suma, pretende-se que esta dissertação seja um guia útil para a fabricação de dispositivos eletrónicos híbridos de hidrogel-PDMS, sobretudo para futuras aplicações em dispositivos de saúde vestíveis.

Wearable health device that allows the continuous monitoring of physiological signals could be a powerful tool for early diagnosis, monitoring chronic diseases and therapeutics. Thus, wearable health devices have gained a lot of attention from the scientific community and from companies related to this area.Over the last few years, wearable sensors for biomonitoring have been developed. However, most of them do not have enough stretchability to follow the curvature and movement of the body. Tough hydrogels are an attractive material since they are mostly composed of water, are permeable to different molecules and exhibit good stretchability. Their biophysical similarity with biological tissues makes them an interesting material to use as skin interface. The combination of these tough hydrogel with PDMS can increase their mechanical robustness and the range of possible applications.In this dissertation, the fabrication process of hydrogel-PDMS hybrid is combined with the fabrication process of stretchable multilayer systems. Based on this successful combination, two different possible application of biomonitoring patches with hydrogel-PDMS electrodes were demonstrated: GSR and EMG sensors. Through an impedance analysis, we demonstrated that hydrogel-PDMS electrodes have low electrode-skin impedance, leading to a good quality of the biological signal. This was proven by the good signal obtained with the EMG sensors.Moreover, GSR patch was used to measure skin resistance changes during exercise and sonorous stimuli. The changes were clear on the physical exercise test, however, on the stress test, some of the stimuli did not cause notable changes in the skin resistance. The more evident emotion was fear induced by a horror movie, which caused a visible decrease in skin resistance.In summary, this dissertation should be a useful guideline for hydrogel-PDMS electronics fabrications, mainly for future application on wearable health devices.