Polimero conduttivo per bioelettronica tessile

I primi esempi di elettrodi tessili per elettrocardiogramma risalgono ai primi anni 2000. Essi erano assolutamente inidonei ad essere indossati a causa delle loro proprietà meccaniche scarsamente compatibili con i tessuti in cui dovevano essere integrati. Inoltre, necessitavano dell’utilizzo di un gel in grado di migliorare il contatto elettrico tra il conduttore metallico e la pelle.

Questi problemi sono stati parzialmente risolti realizzando gli elettrodi con polimeri intrinsecamente conduttori quali ad esempio il PEDOT:PSS che, essendo leggeri, flessibili e morbidi, risultano essere facilmente integrabili all’interno di un indumento per il controllo non invasivo dei parametri vitali. Questi elettrodi hanno prestazioni superiori ai materiali metallici in quanto presentano una conducibilità sia ionica che elettronica, che permette di convertire il segnale bioelettrico (ionico) in una forma leggibile dall’elettronica di lettura che si basa su correnti elettroniche. Nonostante questo, gli elevati valori di impedenza dell’interfaccia cute/elettrodo, uniti al processo di disidratazione del PEDOT:PSS rendono necessaria l’aggiunta di un gel che consenta l’idratazione prima dell’uso. Il gel, da applicare in prossimità degli elettrodi, oltre a comportare irritazioni cutanee in alcuni soggetti, rende scomodo l’utilizzo degli indumenti così realizzati.

Al fine di poter migliorare l’applicazione di questi elettrodi, è stato necessario individuare soluzioni costruttive che permettessero di superare la necessità di aggiungere un elettrolita esterno in forma di gel o soluzione salina. I liquidi ionici a temperatura ambiente sono dei sali che hanno punti di fusione inferiore a 100 °C, caratterizzati da una bassa tensione di vapore, da una moderata conducibilità elettrica, stabilità termica e un’ampia finestra elettrochimica. La combinazione di liquidi ionici e PEDOT:PSS permette il controllo delle proprietà chimico-fisiche del polimero e l'applicazione in sistemi reali, come transistor elettrochimici organici, transistor ad effetto di campo, sensori per gas, sensori elettrochimici ed elettrodi trasparenti e flessibili per la produzione di display.

Non erano mai state proposte soluzioni a base di PEDOT e liquidi ionici per la preparazione di composizioni da utilizzare sui tessuti, né per la preparazione di elettrodi per la rilevazione di parametri bioelettrici.

L’invenzione permette di rilevare segnali bioelettrici attraverso elettrodi polimerici stampati su tessuto attraverso una nuova formulazione del PEDOT, preferibilmente PEDOT:PSS, che permette l’acquisizione del segnale senza idratazione o l’utilizzo di gel.

Con “segnali bioelettrici” si intendono i segnali elettrici che possono essere misurati in continuo da esseri viventi in forma di potenziali o di correnti (ad es. elettrocardiogramma, elettroencefalogramma, elettromiografia, attività elettrodermica e elettrooculogramma).

La composizione conduttiva secondo l’invenzione comprende: la combinazione poli (3,4-etilendiossitofene):anione, anche detto semplicemente PEDOT, preferibilmente la combinazione poli (3,4-etilendiossitofene):poli (stirene-solfonato) (detto nel seguito PEDOT:PSS), e un liquido ionico a base imidazolica.

Alla combinazione PEDOT/liquido ionico può essere aggiunto un composto con la funzione di dopante secondario, scelto tra glicole etilenico, dimetil solfossido, dimetil formammide, metossietanolo, dietilen glicole, dimetil solfato, xilitolo, glicerolo, sorbitolo e meso-eritritolo, allo scopo di aumentare la cristallinità del PEDOT.

I liquidi ionici presentano un inaspettato effetto addensante, in quanto alla concentrazione dell’1% è sufficiente un lieve riscaldamento (tra 1 e 60 min in stufa a una temperatura compresa tra 50 e 70 °C) per portare alla formazione di un liquido con la giusta viscosità (compresa tra 100 e 10000 cP) per le applicazioni secondo l’invenzione, in particolare nei processi di stampa serigrafica.

Punto di forza dell’invenzione è la formulazione del preparato da applicare al tessuto che permette di ottenere elettrodi in PEDOT per la registrazione di segnali bioelettrici senza l’utilizzo di gel o soluzioni idratanti.

La formulazione può essere impiegata genericamente nell’ambito della rilevazione di segnali bioelettrici e può essere applicata su tessuto, come ad esempio una maglietta, in modo da essere a diretto contatto con le zone del corpo soggette a rilevazione. I manufatti su cui applicare la formulazione possono essere flessibili e indossabili, comprese le tute stagne per immersioni, sport acquatici e rilevamenti sottomarini, manufatti usati in ambito medicale e sanitario come cerotti, fasce elastiche di sostegno e fasce supportive adesive, tessuti bioceramici.

I manufatti realizzati sono lavabili ed è stato verificato che dopo 20 lavaggi mantengono ancora buone caratteristiche di risposta elettrica. Le composizioni sono adatte ad essere applicate direttamente sulla cute e non provocano irritazioni cutanee.