Elektrochemiczna charakterystyka nowych elektrod tekstylnych opartych na przewodzącym włóknie silikonowym do stymulacji bioelektrycznej

Łagodne iskry przez miękką tkaninę

Impulsy elektryczne dostarczane przez skórę mogą pomóc osobom po udarze poruszać się, łagodzić objawy chorób nerwowych oraz wspierać rehabilitację. Jednak powodzenie tych terapii często zależy od skromnego elementu: elektrody przyciskanej do skóry. W tym badaniu wprowadzono nowy rodzaj miękkiej, możliwej do prania elektrody tekstylnej wykonanej z przewodzącego włókna silikonowego i sprawdzono, czy potrafi ona dostarczać prąd równie niezawodnie i bezpiecznie jak obecne standardowe elektrody medyczne, będąc jednocześnie bardziej wygodną i wielokrotnego użytku.

Dlaczego lepsze elektrody są ważne dla pacjentów

Wielu zastosowań funkcjonalnej stymulacji elektrycznej używa płaskich padów przylepianych do skóry, by wysyłać niewielkie prądy do nerwów i mięśni. Obecnie są one zwykle wykonane z lepikowych hydrożeli lub gumy napełnionej węglem. Hydrogiele łatwo się zakłada, ale mogą podrażniać skórę i szybko się zużywają. Elektrody gumowe są zwykle przyjazne dla skóry, ale często potrzebują pasków lub taśmy do utrzymania na miejscu, co jest nieporęczne w codziennym użyciu i utrudnia samodzielne ich zakładanie przez pacjentów. Elektrody tekstylne, które można wbudować w ubrania lub rękawy, obiecują szybkie, powtarzalne umieszczanie i wysoki komfort noszenia. Jednak większość istniejących wersji tekstylnych opiera się na przędzach pokrytych metalem, często srebrem, które podczas przepływu prądu mogą uwalniać jony o działaniu odkażającym i niekoniecznie nadają się do częstej stymulacji.

Wplatanie silikonu w inteligentną tkaninę

Naukowcy opracowali nową elektrodę tekstylną, dziergając węzełek z włókna silikonowego domieszkowanego węglem w małą kwadratową łatkę, wspieraną zwykłą nicią poliamidową dla wytrzymałości mechanicznej. Wokół tego dodali pierścień z nieprzewodzącego włókna silikonowego pełniący rolę bariery, by zapobiec rozprzestrzenianiu się wilgotnego roztworu soli, używanego do poprawy kontaktu elektrycznego, na resztę ubrania. W środku dzierganego kieszonki umieścili gąbkę, która utrzymuje standardowy słony roztwór podobny do płynów ustrojowych. Przed użyciem gąbka jest nawilżana, tak by jony mogły przemieszczać się między elektrodą a skórą. Zespół przetestował dwa sposoby podłączenia kabli: jeden z metalowym napem bezpośrednio na elektrodzie oraz drugi, w którym samo przewodzące włókno przenosi sygnał do złącza umieszczonego z dala od wilgotnej strefy — rozwiązanie naśladujące sposób wbudowania materiału w ubrania noszone.

Badanie zachowań tkaniny pod względem elektrycznym

Aby sprawdzić, jak nowe elektrody się zachowują, zespół zanurzył je w roztworze soli 0,9% i przeprowadził serię pomiarów trwających wiele godzin. Mierzono, jak łatwo prąd przemienny przechodzi przez elektrodę w szerokim zakresie częstotliwości (od 0,1 Hz do 1 MHz), jak ustala się naturalny potencjał elektryczny elektrody w czasie oraz ile przypadkowego „szumu” elektrycznego generuje. Kompletny zestaw z napem wykazał stosunkowo niską oporność dla przepływu prądu: około 19,6 kiloomów przy bardzo niskiej częstotliwości (0,1 Hz), spadając do około 98 omów przy 1 MHz, co równa się lub przewyższa wiele elektrod tekstylnych do stymulacji opisanych w literaturze. Konfiguracja oparta wyłącznie na włóknie, bez metalowego napu, miała wyższą oporność, szczególnie przy niskich częstotliwościach, co odzwierciedla większą długość i mniej przewodzącą ścieżkę. W obu projektach pomiary pozostawały stabilne przez 24 godziny, co sugeruje, że elektrody zachowują się niezawodnie podczas dłuższego użycia.

Utrzymanie sygnału stabilnym i cichym

Autorzy zbadali także, jak dryfuje własne napięcie elektrody i ile drobnych losowych fluktuacji dodaje, ponieważ obie cechy wpływają na to, jak czysto urządzenia medyczne mogą stymulować lub rejestrować sygnały, takie jak aktywność serca czy mózgu. Elektroda oparta wyłącznie na włóknie ustalała się na potencjale około 350 milivoltów, podczas gdy wersja z napem ze stali nierdzewnej kończyła znacznie bliżej zera. Różnica ta wynika z tego, że metale w napie naturalnie znajdują się na niższych potencjałach elektrycznych, przesuwając wartość całkowitą. Co istotne, obie wersje mieściły się w zakresach typowych dla ustalonych materiałów elektrodowych. Przy analizie szumów oba typy wygenerowały podobne poziomy szumu prądowego, lecz wersja z napem wykazywała wyraźnie niższy szum napięciowy — bliski szumowi samego systemu pomiarowego — co wskazuje, że metalowy styk faktycznie pomaga wygładzić fluktuacje w porównaniu z samym włóknem. Ogólnie poziomy szumów były umiarkowane i porównywalne z wieloma konwencjonalnymi elektrodami stosowanymi w badaniach i klinikach.

Od ławy laboratoryjnej do terapii noszonej

Sumując te pomiary, badanie pokazuje, że elektrody tekstylne dziergane z przewodzącego włókna silikonowego mogą dorównywać lub przewyższać istniejące tekstylne elektrody stymulacyjne pod względem łatwości przepływu prądu, stabilności potencjału elektrycznego i niskiego poziomu dodawanego szumu. Ponieważ materiały na bazie silikonu są już znane z łagodnego działania na skórę, a elektrody można integrować z nadającymi się do prania ubraniami, urządzenia te mogłyby umożliwić wygodniejsze, bardziej trwałe i przyjazne użytkownikowi terapie stymulacyjne w domu i w klinikach. Przyszłe prace będą musiały potwierdzić, jak zachowują się na prawdziwej skórze, pod naciskiem i podczas ruchu oraz przy długotrwałym noszeniu, ale wyniki sugerują, że urządzenia rehabilitacyjne jutra mogą wyglądać i sprawiać wrażenie bardziej jak codzienne ubrania niż sprzęt medyczny.

Cytowanie: Lange, I., Kalla, T., Wegert, L. et al. Electrochemical characterisation of new textile electrodes based on a conductive silicon yarn for bioelectrical stimulation. Sci Rep 16, 8261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40950-4

Słowa kluczowe: elektrody tekstylne, funkcjonalna stymulacja elektryczna, przewodzące włókno silikonowe, ubrania medyczne do noszenia, stymulacja bioelektryczna