Sensors Design for E-Skin by Printed and Flexible Electronics

In the modern era where the overall living conditions improve, the population increases and ages, the need for a new paradigm of smart healthcare is arising where the need to monitor and track the changes in the physiological status of patients or sports professionals represents the main objective of the scientific community. In this frame, e-skin devices, defined as flexible devices that embed arrays of sensors, are cutting-edge technology that is promising to monitor different physiological parameters from the human body in a non-invasive way thanks to their reduced size and bulkiness. Thanks to these characteristics, e-skins are promising in a plethora of applications and fields other than the clinical one such as the industrial environment and prosthesis. Their wide applicability is enabled by the vast amount of sensors that allow precise and distributed data collection. In this frame, sensors become central to transduce from the body the signals of interest such as temperatures, pressures, deformations, biopotentials and biochemical markers (e.g. ions, metabolites, heavy metals, amino acids, hormones, drugs...). This last class of markers is lately attracting huge interest from the scientific community since they allow the quick detection of a plethora of physiological conditions. Currently, biosensors are researched to detect those signals as they are valid, cheaper and easier to use than standard in-lab analysis methods (e.g ELISA protocols, chromatography, ...). Moreover, among the possible transduction principles currently employed for biosensors, the electrochemical one presents, according to the literature, many advantages such as low cost, high sensitivity and simple instrumentation. In this thesis, different approaches for the development and improvement of printed electrochemical sensors for e-skin application will be investigated. Exploiting the opportunities offered by novel printing technologies, such as Aerosol Jet Printing, the main focus was to improve the metrological characteristics as well as to evaluate, monitor and mitigate the uncertainty sources that could affect the devices. Before going into the experimental detail, the first part of the thesis will be dedicated to provide a description of the transducing principle behind the electorchemical measurements investigated. Further, literature will be deepened in order to the general concepts about e-skins and biosensors, including opportunities and limitations. Then, a prototype of a multi-sensing e-skin patch for unobtrusive and personalized fatigue assessment, that uses both an 8-channel electromyographic (EMG) sensor and an electrochemical sensor, will be presented. The achieved results are promising, but underline the need to increase the sensitivity of the printed electrochemical sensors. Starting from these cues, the next two projects that will be presented are focused on the scientific evidence to try to improve the sensitivity and the limit of detection of printed electrochemical sensors using both micro- and nano- structures. The final part of the thesis will focus on all those elements that can introduce uncertainty on the overall measured signals in order to better understand the quality and the reliability of the proposed aerosol jet printed electrochemical sensors. In this, a wide set of uncertainty components and influence variables can be identified. Among the latter, the temperature is one of the most relevant components of noise (and thus uncertainty) on those kinds of sensors, that have to be compensated using novel, fully-printed sensors.

Il miglioramento delle condizioni di vita ottenuto negli ultimi anni ha generato un aumento e un invecchiamento della popolazione, creando il bisogno di un nuovo paradigma di sanità intelligente dove sia possibile monitorare da remoto la variazione dello stato fisiologico dei pazienti. In questo contesto, gli e-skin, definibili come dispositivi flessibili che incorporano array di sensori, rappresentano una tecnologia all'avanguardia che permette il monitoraggio di differenti parametri fisiologici direttamente dal corpo umano in modo non invasivo grazie alle loro ridotte dimensioni. Per via di queste loro caratteristiche, gli e-skin sono promettenti in varie applicazioni come quello industriale, la prostetica e al già citato campo clinico. Questa loro grande applicabilità è resa possibile dai molteplici sensori che permettono di acquisire dati in modo preciso e distribuito. In questo contesto infatti, i sensori hanno assunto un ruolo centrale dal momento che hanno come compito principale la trasduzione dei differenti segnali d'interesse come ad esempio temperature, pressioni, deformazioni, biopotenziali e marcatori biochimici (e.g. ioni, metaboliti, metalli pesanti, amminoacidi, ormoni, farmaci, stupefacenti, ...). Quest'ultimo gruppo di marcatori sta recentemente suscitando un enorme interesse da parte della comunità scientifica dal momento che permettono il veloce riconoscimento di molteplici stati fisiologici e patologici. Ad oggi, per la misura di questi marcatori biochimici, la ricerca si sta concentrando sui biosensori dal momento che sono un'alternativa valida, più economica e di uso più facile rispetto ad altre tecniche di analisi di laboratorio (e.g. protocolli ELISA, cromatografia, ...) ad oggi usate come gold standard. Fra i possibili principi di trasduzione adottati correntemente per i biosensori in letteratura, l'elettrochimica presenta molteplici vantaggi fra cui un basso costo, un' alta sensibilità e l'uso di strumentazioni relativamente semplici. In questa tesi, verranno descritti differenti approcci per lo sviluppo e il miglioramento di sensori elettrochimici stampati applicati agli e-skin. La discussione partirà da una breve descrizione del principio di trasduzione di questi sensori e si focalizzerà in seguito prima su differenti approcci per il miglioramento delle caratteristiche metrologiche e poi sulla valutazione, monitoraggio e mitigazione delle componenti d'incertezza che possono influire sui dispositivi proposti. In questo contesto, la tesi si aprirà con una revisione della letteratura per introdurre i concetti generali riguardanti gli e-skin e i biosensori, in modo tale da poter comprendere meglio sia il loro principio di trasduzione e le loro limitazioni attuali. In seguito, sarà presentato un primo prototipo di un e-skin multisensing per la misura non invasiva e personalizzata dell'affaticamento muscolare che comprende sia un sensore elettromiografico (EMG) a 8 canali sia un sensore elettrochimico. I risultati ottenuti sono promettenti, ma per quanto riguarda il sensore elettrochimico le prestazioni non sono completamente soddisfacenti per l'applicazione e devono pertanto essere migliorate. Partendo da queste considerazioni, i successivi due progetti si concentrano sulle modalità di miglioramento della sensibilità e del limite di identificazione (limit of detection, LOD) sfruttando micro- e nano- strutturazione della superficie. In seguito, il lavoro si è concentrato su tutti gli elementi che possono introdurre incertezza sul segnale misurato in modo tale da comprendere meglio la qualità e l'affidabilità dei sensori elettrochimici stampati con AJP proposti. Fra queste fonti d’’incertezza si è riscontrato che la temperatura agisce da variabile d’influenza e pertanto se ne è approfondito lo studio per provare poi a compensare per mezzo di sensori stampati innovativi.