CC BY
0УДК 621.3.035.221.4
РАЗРАБОТКА РАСТЯЖИМЫХ
ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТРИЦ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИИ И ИНВАЗИВНЫХ НЕЙРОИНТЕРФЕЙСОВ
DOI 10.24412/CL-37228-2024-167-169 Т.А. Тунеков, С.В. Жирнов, В.С. Лагунов, Ф.С. Сенатов
Национальный исследовательский технологический университет
«МИСИС», Москва, Россия E-mail: m2009610@edu.misis.ru
Аннотация. Мы использовали аддитивный метод для фабрикации электродных матриц с применением композиционного токопроводящего материала. Были изучены электрические и электромеханические свойства синтезированного композиционного полимерного материала. Полученный материал обладает меньшим, чем проводящие полимеры, электрическим сопротивлением, а также механическими свойствами, близкими к коже человека, что позволяет ему растягиваться и изгибаться с малыми изменениями импеданса.
Ключевые слова: электродные матрицы, электромиография, нейроин-терфейсы, композиционные материалы, 3D печать.
На данный момент коммерческие электродные матрицы для электромиографии и инвазивных нейроинтерфейсов разрабатываются методами фотолитографии на полимерной подложке с использованием металлов в качестве материалов электродов [1]. Для фабрикации электродных матриц методом фотолитографии необходимо подготавливать шаблоны в течение длительного времени, а сам метод фотолитографии является многоступенчатым и дорогостоящим процессом. Матрицы, полученные методом фотолитографии, широко применяются в нейроинтерфейсах для считывания электрофизиологической активности, а также для стимуляции нервной ткани, но их механические свойства, такие как модуль упругости и предел прочности, не соответствуют механическим характеристикам нервной ткани и кожи человека [2]. В результате электродные матрицы в электромиографии быстро выходят из строя при большом количестве циклов изгиба и не могут быть
растянуты, что затрудняет считывание сигналов с сильно изгибающихся мышц. При использовании данных электродных матриц в инвазивных нейроинтерфейсах невозможно добиться долгосрочной биосовместимости из-за реакции организма на инородное тело, которое значительно отличается по механическим свойствам от нервной ткани [3].
В данной работе используется композиционный материал на основе термопластичного полиуретана (Ellastolan 1170A, BASF) и многостенных углеродных нанотрубок (Таунит-М) в качестве электропроводящего наполнителя. Удельное электрическое сопротивление синтезированного материала составило порядка 1-10 кОм*мм, что значительно превышает значения, характерные для металлических электродных матриц, однако материал, полученный в данной работе, растяжимый и близок по своим механическим свойствам к нервной ткани и коже человека. Такие свойства позволяют электродной матрице растягиваться вместе с кожей, обеспечивая постоянное считывание потенциала мышечной активности с одного и того же участка, что является важным критерием для точного считывания сигналов.
Для фабрикации электродных матриц в данной работе используется технология поршневой экструзионной 3D печати, которая позволяет формировать многослойные электродные матрицы в рамках одного технологического процесса. Таким образом, этот метод не только позволяет сократить время изготовления, но и существенно снижает стоимость конечного продукта по сравнению с литографическими технологиями.
Работа выполнена при финансовой поддержке
Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы стратегического академического лидерства
«Приоритет 2030».
Список литературы
1. Cheng L., et al. Recent advances in flexible noninvasive electrodes for surface electromyography acquisition // npj Flexible Electronics. — 2023. — V. 7. — No 1. — P. 39.
2. Zhang M., et al. Electronic neural interfaces // Nature Electronics. — 2020. — V. 3. — No 4. — P. 191-200.
3. Tanwar A., et al. A review on microelectrode array fabrication techniques and their applications // Materials Today Chemistry. — 2022. — V. 26. — P. 101153.
DEVELOPMENT OF STRETCHABLE ELECTRODE ARRAYS FOR ELECTROMYOGRAPHY AND INVASIVE NEURAL INTERFACES
Abstract. We used an additive method to fabricate electrode arrays using a composite conductive material. The electrical and electromechanical properties of the synthesized composite polymer material were studied. The resulting material has less electrical resistance than conductive polymers, as well as mechanical properties close to human skin, which allows it to stretch and bend with small changes in impedance.
Key words: electrode arrays, electromyography, neurointerfaces, composite materials, 3D printing.
