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Textile Organic Electrochemical Transistors as a Platform for Wearable Biosensors

The development of wearable biosensors is receiving a great deal of attention in view of noninvasive and continuous monitoring of physiological parameters (physical, chemical and biological) in healthcare applications. This paper describes the development of a fully textile, wearable biosensor based on an organic electrochemical transistor (OECT) entirely made of conductive polymer (PEDOT:PSS).
(top) PEDOT:PSS OECTs in different configurations. (bottom) Electrical characterization of a textile OECT device: Id-Vg curves (Vd = − 0.3 V) record

DOI: doi:10.1038/srep33637
DIFA Authors/DIFA institutions: Dr. Isacco Gualandi, Dr. M.Marzocchi, Prof.ssa Beatrice Fraboni

Wearable technology is the branch of technology developing devices that can be worn and, at the same time, that contains advanced electronic circuits incorporating practical functions. Wearable textile sensor should display suitable mechanical features (flexibility, light weight and stretch ability), washability, low power requirements and should be comfortable when worn.

So far most research efforts in this direction have been focused on the production of miniaturized wearable appliances based on relatively mature technologies such as motion tracking, bio-electrical signals analysis and temperature detection.

Analysis of human biofluids is considered a valuable diagnostic tool for a number of diseases and sweat analysis allows evaluating several physical abnormal conditions, as for instance doping.

In this paper I.Gualandi, M.Marzocchi and B. Fraboni, researchers of the DIFA-UNIBO, report on the realization of  electronic devices based on a nanometer thin polymer layer (PEDOT:PSS) that can be embedded in the textile to become truly non-invasive and less perceptible, as they do not require direct contact with blood, with the further significant advantage of maintaining hygienic conditions (no implantation). The active polymer patterns are deposited into the fabric by screen printing processes, thus allowing the device to actually “disappear” into it.

We demonstrate the reliability of the proposed textile OECTs as a platform for developing chemical sensors capable to detect in real-time various redox active molecules (adrenaline, dopamine and ascorbic acid), by assessing their performance in two different experimental contexts: i) ideal operation conditions (i.e. totally dipped in an electrolyte solution); ii) real-life operation conditions (i.e. by sequentially adding few drops of electrolyte solution onto only one side of the textile sensor). The OECTs response has also been measured in artificial sweat, assessing how these sensors can be reliably used for the detection of biomarkers in body fluids.

Finally, the very low operating potentials (<1 V) and absorbed power (~10−4 W) make the here described textile OECTs very appealing for portable and wearable applications.

Transistors Organici elettrochimici: una piattaforma per biosensori indossabili

Lo sviluppo di biosensori indossabili sta ricevendo una grande attenzione grazie alla prospettiva di poter monitorare in maniera continuativa e non invasiva parametri vitali (fisici, chimici e biologici) per applicazioni medico-diagnostiche. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un biosensore completamente tessile e indossabile, basato su un transistor organico elettrochimico (OECT) interamente realizzato a partire da un polimero conduttore (PEDOT:PSS).

La “wearable technology” è quel settore di ricerca che si occupa dello sviluppo di dispositivi elettronici avanzati che possano essere indossati. I sensori tessili indossabili devono soddisfare specifiche richieste meccaniche (flessibilità, peso limitato, elasticità), devono poter essere alimentati a bassa potenza, lavati e confortevoli da indossare. Gli sforzi compiuti dai ricercatori fino ad oggi si sono concentrati sulla miniaturizzazione di dispositivi elettronici tradizionali (accelerometri, sensori di moto e di temperatura), in modo da poterli incorporare in tessuti. L’analisi di fluidi biologici (saliva, sudore, urina)è considerato uno strumento molto valido per la diagnostica medica e in particolare il sudore puo’ fornire indicazioni utili su varie patologie o alterazione di condizioni normali (ad esempio il doping).

In questo lavoro, I.Gualandi, M.Marzocchi e B.Fraboni, ricercatori del DIFA –UNIBO, mostrano la realizzazione dei primi dispositivi elettronici basati su film nanometrici di polimero conduttore (PEDOT:PSS) che sono stati integrati direttamente sulle fibre tessili, divenendo completamente impercettibili e non invasivi. I pattern a base di polimero conduttore vengono stampati direttamente sui tessuti da soluzione, mediante un tipico processo di stampa a serigrafia, letteralmente scomparendo nel tessuto stesso. Viene dimostrata l’affidabilità dei transistors OECT tessili qui proposti come una nuova piattaforma per sviluppare svariate tipologie di sensori biochimici atti a a monitorare in tempo reale diverse molecole ossido-riducenti (adrenalina, dpamina, acido ascorbico). Il principio di funzionamento di questi nuovi dispositivi è stato verificato e dimostrato in due contesti diversi: i)condizioni ideali, ossia con i sensori completamente immersi nell’elettrolita; ii)in condizioni di utilizzo reale, ossia aggiungendo singole gocce di soluzione da analizzare da un solo lato del tessuto. La risposta degli OECT è stata misurata e verificata per sudore artificiale contenente biomarcatori (adrenalina). Infine, la bassa tensione a cui sono operati  (<1V) e la bassa potenza assorbita (10-4W) rendono i dispositivi tessili qui descritti strumenti estremamente interessanti per applicazioni portatili e indossabili.