Печатная электроника для медицинского оборудования.

Джефф Гровер, Корпорация Хенкель, Ирвин, Калифорния.

АННОТАЦИЯ

Как и на многих других рынках, где более быстрые и высокопроизводительные технологии привели к созданию более интеллектуальных процессов и продуктов, сектор медицинского оборудования также переживает «умную» трансформацию. Это привело к разработке медицинских устройств, которые обеспечивают более широкий доступ к уходу и мониторингу на дому, а также более быстрые результаты для медицинских работников, с общей выгодой в виде улучшения результатов лечения пациентов. Устройства, применяемые к человеческому телу, которые непрерывно распознают и сообщают о жизненно важных показателях в режиме реального времени, системы измерения влажности, которые помогают оптимизировать здоровье и комфорт пациентов, а также наносимые на кожу пластыри с синхронизированным измерением и высвобождением лекарств — все это сегодня является умной реальностью здравоохранения. Сенсорные технологии, которые устраняют разрыв между стандартными изделиями и более гибкими пользовательскими интерфейсами, расширяют границы возможностей в сторону меньших и более удобных форм-факторов, делая интеллектуальные устройства здравоохранения общепринятой реальностью. В этом документе будут представлены подробности о различных приенениях медицинских датчиков, а также о передовых материалах и процессах, используемых для их сборки для обеспечения оптимальной функциональности.

ВВЕДЕНИЕ

Индустрия печатной электроники существует уже несколько десятилетий и ей уделяется повышенное внимание как фактору миниатюризации, способности создавать гибкие сборки с улучшенными форм-факторами и экономической эффективностью. За десятилетия, прошедшие с момента своего появления, печатная электроника прошла путь от производства печатных плат до повсеместного использования RFID, фотоэлектрических и электролюминесцентных технологий и т.п. Среднестатистический потребитель ежедневно неосознанно использует печатную электронику, поскольку многие современные устройства содержат печатные электронные элементы. В то время как некоторые приложения широко используют возможности печатной электроники, медицинский рынок, который использует печатную электронику уже несколько десятилетий, использует новые возможности электронных материалов для разработки интеллектуальных медицинских устройств. Поскольку пациенты требуют большего удобства и экономической эффективности, печатная электроника отвечает на этот вызов, способствуя разработке более растяжимых, гибких, конформных и биоразлагаемых электронных устройств. Дополнительным преимуществом является то, что за счет использования печатной электроники можно производить более тонкие и легкие устройства, в том числе устройства гибридной конструкции, включающие традиционные микросхемы и компоненты, обычные интегральные схемы, светоизлучающие диоды и многое другое. Эти развитые гибридные устройства способны выполнять функции, которые пока недостижимы с помощью только печатной электроники. В медицинском секторе растет потребность в мониторинге таких изделий в режиме реального времени и обеспечения их существования в амбулаторных условиях. В то же время пациенты и медицинские работники хотят иметь меньшие по размеру и менее дорогие изделия. Чтобы достичь этих амбициозных целей, производители обращаются к решениям, которые могут обеспечить крупносерийное и экономически эффективное производство, а технология печатной электроники занимает центральное место в этих условиях. Технологии печатной электроники предлагают жизнеспособные решения для совмещения миниатюризации и снижения общих затрат, а также позволяют сократить производственные затраты на целых 40% и позволяют создавать конструкции меньшего размера. [1] Это критически важно, поскольку производство небольших носимых медицинских устройств резко расширяется. Согласно отчетам, в 2022 году рынок носимых медицинских устройств достигнет $14,41 млрд по сравнению с $6,22 млрд в 2017 году [2,3].

Экономическая эффективность, обеспечиваемая методами печати с высокой пропускной способностью.

Существует ряд различных методов печати, используемых в медицинской сфере. Для большинства применений, включающих печатную электронику, тремя основными технологиями нанесения материалов являются планшетная (трафаретная), флексографическая и ротогравюрная печать.

Планшетная (трафаретная) печать — старейший метод печати, который, как полагают, возник в Китае около 800 лет назад. Самые старые ширмы изготавливались из шелка, отсюда и название «шелкография». Сегодняшние экраны состоят из тканой сетки, изготовленной из полиэстера или нержавеющей стали, натянутой на металлическую раму. Чернила наносятся на маскированную сетку, и резиновый ракель перемещается по ней, проталкивая чернила и оставляя изображение на подложке.

Существует множество параметров, определяющих толщину покрытия, наносимого при планшетной печати, причем основными определяющими факторами являются диаметр сетки трафарета, толщина масочной эмульсии, а также твердость ракеля. Эти параметры можно адаптировать для каждого конкретного применения, следуя некоторым общим рекомендациям. Хотя трафаретная печать играет важную роль в большинстве секторов печатной электроники, она не является распространенным производственным процессом из-за ограничений объема и влияния, которые он оказывает на стоимость. Вместо этого флексографская или ротогравюрная печать является предпочтительным методом печати для большинства медицинских приложений, использующих печатную электронику.

Флексографская печать — это непрерывный процесс, который обычно состоит из различных установок, каждая из которых способна печатать и закреплять слой краски. Типичные флексографские линии для графической печати имеют четыре станции, состоящие из печатающей головки и системы сушки или отверждения, например с принудительной подачей воздуха, УФ или ИК. Существует два типа флексографских печатных машин: листовая, которая используется в основном для печати на листах, и рулонная. Рулонная подача является предпочтительным типом печатной машины для печатной электронной промышленности, поскольку непрерывная обработка с рулона на рулон, присущая новым флексографским машинам, может обрабатывать более 2000 кв футов в минуту. Однако в печатной электронике толщина слоя и возможность высыхания, необходимые для современных функциональных чернил, диктуют немного более низкую скорость печати, которая в среднем составляет около 100 кв футов в минуту. Пример типичной флексографской машины можно увидеть на рисунке 1.

Рис. 1: Типичная конструкция флексографской машины.

Ротогравюра в настоящее время способна обеспечить самые высокие скорости для технологий печатной электроники. При правильной сушке ротогравировука может достигать скорости, позволяющей обрабатывать 3000 кв футов в минуту. Из-за больших объемов чернил, которые можно нанести, ротогравюру часто используют для журналов высокого класса, где важно качество цвета и шрифта. Благодаря своей скорости и точности ротогравюра также хорошо подходит для обработки недорогих и объемных деталей медицинских устройств, таких как ЭКГ и электроды, а также для других электронных приложений, например таких как устройства RFID. Ротогравюра — это рулонный процесс с несколькими станциями печати и закрепления, очень похожими на флексографскую печать, но в более крупном масштабе. Ее пример можно увидеть на рисунке 2.

Рис. 2: Типичная система ротогравюрной печати.

Решения для материалов чернил.

Индустрия печатной электроники разработала множество различных типов чернил для удовлетворения различных потребностей. Хотя некоторые из них зависят от рынка существуют чернила, которые являются универсальными и могут использоваться для различных применений, в том числе в медицинском секторе. Чернила используются для печати датчиков для различных медицинских применений (рис. 3) и являются одними из наиболее экономически эффективных материалов для производства медицинского оборудования.

Рис. 3. Биомедицинские датчики могут отслеживать различные функции организма и передавать данные для анализа.

Составы, используемые для печати датчиков и резисторов, сильно различаются по значениям сопротивления и составу и должны соответствовать ряду ключевых эксплуатационных свойств, необходимых для производства медицинских датчиков, в том числе (и это лишь некоторые из них):

высокая проводимость;
печать тонких линий;
быстрое высыхание;
совместимость с подложками;
гибкость.

Характеристики чернил определяются выбором формулы компонентов, таких как наполнители, смолы, носители и любые другие добавки. Функциональность чернил в большей степени зависит от типа выбранных наполнителей, таких как серебро, хлорид серебра, углерод, люминофор, изоляционные материалы и т. д., а также от физических характеристик наполнителя, таких как форма и распределение частиц по размерам, плотность, площадь поверхности и т. д. Тип наполнителя определяет функциональное использование чернил, такое как проводимость, изоляция, сопротивление, емкость, изготовление электродов, антенн, светоизлучение, взаимодействие с радио частотами. На реологические характеристики и возможность печати чернил влияет выбор носителей и смол, а также любых добавок; ранее упомянутые иные свойства наполнителя также играют большую роль в реологических свойствах чернил. Типы носителя и смолы выбираются на основе совместимости и, помимо реологии, также определяют такие характеристики чернил, как адгезия к подложке, гибкость, стойкость к истиранию, химическая стойкость, устойчивость к окружающей среде и пр.

Печатные электронные чернила предназначены для выполнения различных функций, при этом они могут работать на самых разных носителях и правильно функционировать в различных условиях окружающей среды.

Печатные электронные чернила могут быть разработаны с использованием систем на водной основе, УФ-отверждаемых систем и систем на основе растворителей, которые включают в себя различные системы смол и носителей, при этом проводящие пигменты серебра и углерода являются основными носителями электро- и тепло- проводности. Серебро является наиболее электро- и тепло- проводным материалом из всех доступных металлов, которое обладает уникальной способностью сохранять проводимость даже после того, как произошло окисление.

Фактически, оксиды, образующиеся на серебре, обладают такой же проводимостью, как и само серебро. Это делает серебро идеальным материалом для использования там, где важен внутренний контакт частиц. Чернила, разработанные с учетом высокой проводимости, используются на рынке печатной электроники, подающей электрический ток ко всем компонентам на плате или гибкой детали. Вообще говоря, большинство компаний желают получить проводники с высокой проводимостью по разумной цене. Чернила с высокой проводимостью ( до 10 мОм/мил2) желательны с точки зрения экономии средств, а также потому, что для достижения желаемых электрических свойств требуется меньше чернил, а более тонкие слои позволяют создавать профили меньшей высоты для миниатюрных устройств. Это может обеспечить более равномерное нанесение дополнительных слоев, и способствовать однородности деталей в многослойных конструкциях, таких как датчики ЭКГ, которые могут включать в конструкцию слои серебра, Ag/AgCl и диэлектрика. В дополнение к уменьшению высоты профиля трассировки, чернила с высокой проводимостью, обладают способностью печатать тонкие линии и могут помочь уменьшить общий размер конечной детали, позволяя уплотнять область печати за счет уменьшения размеров трассировки, (некоторые примеры возможностей печати тонких линий. можно увидеть на рисунке 4).

Рис. 4. Типичные примеры проводников для возможности печати тонкими линиями.

Поскольку сфера применения и функциональность медицинских устройств продолжают расширяться, разнообразие используемых материалов также растет. Таким образом, совместимость чернил с несколькими носителями становится критической. Кроме того, чернила должны обеспечивать гибкость в использовании без какого-либо ухудшения проводимости или адгезии, что важно для большинства типичных применений медицинских датчиков. На рисунках 5 и 6 показаны последние достижения в области технологий проводимости и гибкости чернил. Обычно чернила с высоким уровнем гибкости имеют более низкую проводимость из-за требований рецептуры, но, как видно на рисунках 5 и 6, были разработаны чернила, которые имеют более высокую проводимость, сохраняя при этом или даже улучшая характеристики гибкости.

Рис. 5. Сопротивление слоя серебряных проводящих чернил до и после прокатки.

Рис. 6: Сопротивление слоя до и после испытания на двойное сгибание.

На этих рисунках мы видим эффективность нескольких чернил в двух стандартных тестах на гибкость. Первым испытанием является испытание прокаткой, в ходе которого проводящие дорожки печатаются и закрепляются на гибкой подложке, а затем подложки накатываются вокруг 4-миллиметрового валика. Все три состава показали хорошие результаты при испытаниях на валике, показав изменение сопротивления на 3-4%. Для испытания на сгибание проводящие дорожки печатаются и закрепляются на гибкой подложке, затем дорожки сгибаются, а затем эта складка прокатывается валиком массой 1,8 кг . Чернила A и B показали хорошие характеристики гибкости, характеристики чернил C при тестировании на сгибание можно объяснить полуспеченным состоянием, которое они имеют во время отверждения. Основным отличием этих чернил является уровень проводимости чернил B и C. Улучшенная проводимость и способность поддерживать различные уровни гибкости, демонстрируемые этими проводящими чернилами, позволяют разрабатывать медицинские устройства, которые могут легче соответствовать изогнутым формам человеческого тела, например гибкая накладка на рисунке 7.

Рис. 7: Типичное медицинское изделие на гибкой подложке, представляющее собой многослойную конструкцию.

Диэлектрические чернила играют важную роль в структуре печатных схем, поскольку они обеспечивают защиту печатных проводящих дорожек от окружающей среды, предотвращают замыкание и делают возможной многослойную печать, как показано на рисунке 8. Это позволяет создавать схемы с более высокой плотностью. Диэлектрики также используются для минимизации миграции серебра, что особенно важно, когда в печатной схеме присутствует ток и влага. Диэлектрические составы созданы для систем термо- и УФ-отверждения, причем подавляющее большинство систем являются последними этапами. Состав, состоящий из 100% твердых веществ, сшивающие свойства которого делают УФ-системы предпочтительным выбором для большинства применений, поскольку это позволяет избежать циклы термического отверждения, которые могут повредить чувствительные к температуре компоненты и подложки, используемые в медицинских целях. Способность к высокой скорости обработки в сочетании с устойчивостью к химическим веществам и окружающей среде, которую обеспечивают эти чернила, делает их идеальными для использования в недорогих медицинских устройствах.

Рис. 8: Пример многослойной печати с диэлектрическими пересечениями.

Углеродные чернила (или смеси углеграфита) также используются в печатной электронике. Углерод обычно имеет сопротивление на три порядка больше, чем серебро, но, как правило, значительно дешевле. Углеродные системы применяются там, где требуется устойчивость, и используются в качестве компонента функциональной части. Некоторые из этих приложений включают печатные резисторы, нагреватели, потенциометры, приложения для измерения силы и влажности. Наиболее распространенные примеры использования углеродных чернил в медицинских устройствах - это приложения, требующие измерения силы и влажности. Диапазоны сопротивления для регулируемых датчиков силы или силовых резисторов можно увидеть на рисунке 9.

Рис. 9. Диапазоны стойкости для смешанных систем чернил FSR.

Устройства FSR (смешанных резистивных систем) демонстрируют уменьшение сопротивления с увеличением силы, приложенной к поверхности датчика, этот эффект обратим при снятии указанной силы. Широкий диапазон сопротивлений, получаемый в результате смешивания этих чернил, создает возможность разработки широкого спектра устройств с различными исходными профилями сопротивления и чувствительности, которые остаются стабильными при использовании. Пример этих диапазонов показан на рисунке 10.

Рис. 10: Примеры профилей, чувствительных к силе и сопротивлению как функции силы для различных смесей материалов.

Датчики силы имеют множество конечных применений: от обнаружения присутствия инвалидной коляски до распознавания точек давления. Новые разработки в конструкции датчиков позволяют не только определять присутствие людей по принципу «да/нет», но и применять приложения, зависящие от положения и силы, например, для обнаружения и предотвращения падения. В этом типе приложений датчики могут использоваться для оповещения персонала, если пациент пытается встать с кровати или переместил свой вес на кровати не должным образом. Датчики влажности, которые либо замыкают, либо регистрируют изменение импеданса при попадании влаги, широко используются в больницах, учреждениях ухода за больными и на дому для контроля личной гигиены. Кроме того, этот тип датчика использовался при разработке «умных» подгузников как для детей так и для взрослых, что можно увидеть на рисунке 11.

Рис. 11: Пример «умного» подгузника, предназначенного для измерения и мониторинга влажности.

Системы чернил серебро/хлорид серебра в основном используются в медицинских целях, особенно для датчиков ЭКГ, электродов дефибрилляторов и др.. Эти электроды измеряют биопотенциал, действуя в качестве преобразователя, который преобразует ионные токи от поверхности тела в электрические сигналы и являются важным компонентом современных биомедицинских электродных систем. Функциональность достигается за счет сочетания серебряных чернил и проводящих гелей, при этом чернила печатаются непосредственно на планшете ЭКГ. Пример смарт-панели можно увидеть на рисунке 12.

Рис. 12: Пример «умной» сборки с использованием чернил Ag и AgCl.

КП покрытые серебром/хлоридом серебра и гель-электролитом соединяются и при нанесении на кожу и образуют проводящий мостик, который обнаруживает электрические импульсы, генерируемые специализированной тканью, органом или клеточной системой. [4,5] Чернила из серебра/хлорида серебра также используются в системах доставки лекарств, также известных как ионофорез. Ионофорез — это процесс, при котором электрический ток доставляет лекарства или другие химические вещества через кожу. Этот процесс работает по тому же принципу, что и планшет для ЭКГ, где чернила серебра/хлорида серебра смешиваются с проводящим гелем. В случае ионофореза в гель загружается доставляемое лекарство, подается ток, и система ионизирует кожу, чтобы инициировать доставку лекарства. Изменяя силу подаваемого тока, можно увеличить или уменьшить скорость доставки лекарства. Чернила с положительным температурным коэффициентом (PTC) все чаще используются в медицинской сфере для применений, требующих различных уровней нагрева с заданными максимальными температурами.

Функциональность достигается за счет реакции чернил на ток, проходящий через них. При подаче тока чернила PTC начинают нагреваться и становятся менее проводящими по мере повышения температуры. Когда чернила достигают заранее определенного значения, заданной для конкретного применения температуры, они претерпевают фазовый переход, и в этот момент сопротивление чернил значительно увеличивается, как показано на рисунке 13. Это предотвращает прохождение электричества через цепь и эффективно отключает устройство, пока чернила не остынут ниже температуры фазового перехода. Когда температура чернил падает достаточно низко, ток снова подается. Это можно увидеть на рисунке 14.

В настоящее время эта технология наиболее широко применяется в автомобильной промышленности, но также используется для контроля температуры внутривенных (ВВ) жидкостей в медицинских целях.

Нагревание жидкостей для внутривенного введения, которые обычно хранятся при комнатной температуре перед введением, может не только улучшить комфорт пациента, но также потенциально может свести к минимуму или устранить осложнения, связанные с гипотермией из-за использования жидкостей для внутривенного введения с низкой температурой.

Благодаря правильному выбору чернила PTC обеспечивают быстрый, эффективный и контролируемый нагрев, а также устраняют необходимость во внешних контроллерах и регуляторах температуры. Это не только способствует общему упрощению конструкции, но и уменьшает количество компонентов, необходимых для создания функциональной части, тем самым снижая стоимость, упрощая производство и приводя к созданию более компактных и гибких устройств.

Рис. 13: График кривых максимальной температуры чернил PTC.

Рис. 14: Поведение типичного PTC-нагревателя с течением времени.

Краткое содержание.

Несмотря на то, что печатные электронные технологии используются в медицинской сфере на протяжении десятилетий, недавние разработки «умных» медицинских устройств привели к тому, что печатная электроника и сенсорные технологии стали ключевыми факторами современного прогресса в области здравоохранения. Печатная электроника позволяет производить устройства в больших объемах, которые позволяют ускорить обнаружение и диагностику, повысить комфорт пациентов, облегчить самоконтроль для достижения лучших результатов и снизить общие затраты производителей, врачей, медицинских учреждений и пациентов. Функциональность и производительность аддитивного процесса печати электроники, несомненно, обеспечат его жизнеспособность в обозримом будущем.

Увеличение разнообразия продукции и необходимость модификации форм-фактора будут стимулировать дальнейший рост применений печатной электроники в индустрии медицинского оборудования, поскольку она продолжает разрабатывать новые методы адаптации и интеграции технологий.

Использованная литература.

Printed Electronics for Healthcare, Cosmetics and Pharmaceuticals 2014-2024
Wearable Medical Devices Market Worth $14.41 Billion by 2022
Wearable Healthcare Devices Market worth $69.2 billion by 2028
Ю. Ю, Дж. Чжан, Дж. Лю, «Биомедицинская реализация жидких чернил для ЭКГ» 2013.
Амер Абдулмахди Члайхави, Бину Бэби Наракату, Сепер Эмамиан, Брэдли Дж. Базуин, Массуд З. Аташбар, «Разработка печатных и гибких электродов ЭКГ». 2017).