Printed Sensors for Wound Monitoring : A Holistic Investigation on Functional Materials, Printing Technology and Sensing Methods

Abstract

Wonddiagnose en -behandeling zijn enorme uitdagingen geworden in gezondheidszorg over de hele wereld vanwege verschillende oorzaken, variërend van een vergrijzende bevolking, stijgende kosten van wondbehandelingen, bacteriële resistentie tegen antimicrobiële stoffen tot het toenemende voorkomen van levensstijlziekten zoals obesitas, diabetes, hartaandoeningen, en hyper- en hypodruk. Bovendien draagt het gebrek aan faciliteiten voor wonddiagnose en trage biopsielaboratoriumtests bij aan de complexiteit van wonddiagnose en - behandelingen. In de afgelopen tijd hebben innovaties en ontwikkelingen op het gebied van materiaal- en procestechniek een paradigmaverschuiving in draagbare elektronica en computers mogelijk gemaakt om van een ziekenhuis gebaseerd gezondheidszorgsysteem naar een geminiaturiseerde draagbare gezondheidspatch te evolueren die persoonlijke gezondheidscontrole mogelijk maakt. Dit doctoraatsproefschrift behandelt de ontwikkeling van een flexibel en draagbaar slim wondverband dat gebruik maakt van innovatieve materialen samengesteld tot functionele inkten en waarbij printtechnieken worden toegepast om het op substraten compatibel met de huid te deponeren. De gevolgde fabricageroute wordt over het algemeen geïdentificeerd met een lage integratiedichtheid en lage responstijd van de devices in vergelijking met op cleanroom gebaseerde microfabricage, maar de levensvatbaarheid van het proces om massavolume te fabriceren zonder cleanroom faciliteiten, lage kosten en de haalbaarheid voor een grote verscheidenheid aan substraten en functionele materialen maken de technologie ideaal voor specifieke toepassingen in de gezondheidszorg. Deze doctoraatsthesis is exclusief gewijd aan de fabricage van draagbare sensorsystemen voor monitoring van verschillende parameters zoals wondtemperatuur, pH, wondvocht en via wondbeeldvorming van de grootte en de vorm. Naast wondmonitoring is optimalisatie van de genezingsomstandigheden van groot belang en daarom is de studie uitgebreid tot de monitoring van de druk aangebracht door het wondverband en de vochtbalans. Dit werk bespreekt in detail de ontwikkeling van verschillende gedrukte sensorconcepten; de bioimpedantiesensor voor draagbare tomografische beeldvorming; een draagbare en zeer rekbare temperatuur-rek sensor, vochtsensor op textiel die thermische en impedantie principes toepast en een draagbare pH-sensor op textiel. Het eerste experimentele deel onderzoekt de haalbaarheid van het combineren van impedantiemetingen en het transient plane source (TPS)-principe om het volume aan vocht en de variaties in samenstelling te kwantificeren. Impedantiemetingen gebruiken de elektrische eigenschappen van de vloeistof, terwijl de TPS-metingen zijn gebaseerd op de thermische effusiviteit van de vloeistof. Beide detectieprincipes worden toegepast om het vloeistofvolume te kwantificeren en deze methoden tonen aan dat metingen van een ultra-laag volume (0,5 l) mogelijk is. De TPS-sensor handhaaft de precisie in volumemetingen, ongeacht de interferentie met de variaties in samenstelling van het vocht (ionische concentraties), terwijl impedantiemetingen proportionele variaties ten opzichte daarvan laten zien. Dit toont de haalbaarheid aan van wondvocht analyse (bijvoorbeeld bacteriële detectie door impedantiespectroscopie zonder interferentie met het vloeistofvolume). Bovendien helpt de nauwkeurige kwantificering van het volume van wondvocht bij een optimale wisseling van wondverbanden en kan ook de vochtbalans op de wond worden gekwantificeerd. TPS-metingen kunnen ook een indicator zijn van de lokale temperatuur van de wonde die door de sensor wordt gemeten. Het integreren van zowel impedantie- als thermische sensoren in één enkel platform zorgt voor slimme en draagbare sensorverbanden voor het meten van het vloeistofvolume en het gelijktijdig analyseren van ionische samenstellingsveranderingen en lichaamstemperatuur. Een tweede deel bespreekt de ontwikkeling van een betrouwbare draagbare pHsensor gerealiseerd op textiel. De eerste fase van het werk omvat een review gericht op drie verschillende elektrochemische pH-sensorconcepten; een conductometrische PEDOT:PSS-sensor, een voltametrische carbonalizarinesensor en een potentiometrische PANI-sensor en reproduceert deze op folies voor een haalbaarheidsstudie. Volgens deze analyse is de potentiometrische PANIsensor, de best passende en daarom wordt deze verder ontwikkelt in de richting van een op textiel gebaseerde geprinte sensor. De draagbare, potentiometrische koolstof/PANI-sensor op textiel is getest op een bufferoplossing met een pH van 4 tot 9,5, wat het fysiologisch relevante pH-bereik voor wonden is. De op PANI gebaseerde potentiometrische sensor vertoont een opmerkelijke gevoeligheid (45 mV/pH) met goede lineariteit en reproduceerbaarheid. Elektrische impedantietomografie (EIT) is een niet-invasieve, realtime, continue beeldvormingstechniek die interessante toepassingen heeft in de wondzorg. Dit deel van het doctoraatsonderzoek demonstreert een EIT tomografische beeldsensor op textiel, gericht op de ontwikkeling van een flexibele sensor in de vorm van een armband om dwarsdoorsnedebeelden van de onderarm te verkrijgen, die botkenmerken zoals vorm, grootte en positie onthullen. De rekbaarheid van de sensor is van vitaal belang voor toepassingen van draagbare devices, en dus perfect geschikt voor wondverband. Daarom behandelt het tweede deel van het hoofdstuk de fabricage en het testen van een rekbare, op textiel gebaseerde sensor om lichaamsdynamiek (beweging) aan te pakken, lichaamscontact met de elektrode en draagcomfort te verzekeren. De voorgestelde rekbare sensor, gedragen op de borstkas, demonstreert de haalbaarheid van het in beeld brengen van zo'n ongelijk en dynamisch lichaamsdeel. Snelle temperatuurverandering op de wondplaats duidt meestal op infectie. Een dergelijke temperatuurstijging op de plaats van de wond is een vroege voorspeller van chroniciteit van wonden, zelfs voordat visuele veranderingen optreden. Mechanotransductie voor een optimale wondgenezing is zeer belangrijk, bijvoorbeeld een nauwkeurig gedefinieerde hoeveelheid trekkracht op de wondplaats die nodig is voor neovascularisatie en celproliferatie. Dit laatste deel van het proefschrift beschrijft de ontwikkeling van een sensor die tegelijkertijd zowel temperatuur als rek(-kracht) kan meten. Deze studie omvat de op thermoelektrische principes gebaseerde benadering van temperatuurmeting in draagbare devices, waardoor flexibiliteit en buigbaarheid wordt gegarandeerd zonder de thermo-gegenereerde spanning te beïnvloeden. Het chemisch gemodificeerde thermo-elektrische composietmateriaal helpt om superieure rekbaarheid en een betere gevoeligheid van de sensor te bereiken. Bovendien worden de door rek veroorzaakte weerstandsveranderingen een extra marker voor rekmetingen (onafhankelijk van temperatuurmetingen), zodat beide parameters met dezelfde sensor kunnen worden gemeten. De temperatuur- en reksensor vertonen een uitstekende gevoeligheid en herhaalbaarheid zonder enige interferentie, wat een slim detectieplatform voor wonden garandeert. De studie demonstreert tenslotte met succes de toepasbaarheid van deze innovatieve dubbele-parameter sensor voor het meten van verschillende belangrijke wondparameters in een in-vivo muizenmodel.