Electrical characterization of a conductive hydrogel for the development of a smart bandage human-machine interface

Wounds have a negative impact on patients' quality of life and constitute a burden on the healthcare system. Guaranteeing patients a quick, non-invasive therapy is vital to hasten the healing process and avoid bacterial infections. In order to aid medical professionals in the decision-making process of diagnosis and treatment, research has recently concentrated on the development of sensorized platforms for monitoring the healing fundamental biomarkers, such as temperature, pressure, pH, humidity, presence of gas, and biomolecules. Therefore, the development of smart bandages that can monitor key indicators of the healing process and warn clinicians about potentially life-threatening situations is a hot topic in these decades. Due to the mechanical mismatch between the human body and rigid circuits, traditional electronics frequently fall short in this regard; nevertheless, flexible electronics are making progress in the development of such technologies. In particular, the class of ionotronic systems, based on conductive polymers, is able to reconcile the urgency of addressing the environmental crisis with the requirement for flexible solutions. This master thesis project presents CareGum, a potential candidate material for the development of smart bandages. CareGum is a conductive, adhesive, remodelable, and elastic hydrogel with a gum-like appearance. The aim of this project was to investigate CareGum's electronic properties, to exploit them for wearable applications. Its characteristics were studied mainly through impedance analysis techniques, performing multiple frequency-sweep tests in a controlled environment. In particular, it was analyzed CareGum's response to different parameters, like strain, pressure, pH, temperature, and humidity. In the end, CareGum was also used as a platform to monitor human motion. The results of the characterization highlighted CareGum's appealing qualities, including its capacity to consistently respond to all of the suggested stimuli. Furthermore, its extreme flexibility and elasticity allowed CareGum to adapt to the human body, finely capturing its movements. Therefore, the results of this work could act as a pathfinder for the development of a multi-modal smart bandage for wound healing monitoring.

Le ferite impattano in modo sostanziale sulla qualità della vita dei pazienti, rappresentando un peso anche per il sistema sanitario. Per accelerare la guarigione ed evitare infezioni batteriche, è necessario garantire ai pazienti un trattamento rapido, e non invasivo. Negli ultimi anni la ricerca si sta concentrando nello sviluppo di piattaforme per il monitoraggio dei biomarker fondamentali nel processo di guarigione, quali temperatura, pressione, pH, umidità, presenza di gas e di biomolecole, in modo da assistere i professionisti nel processo decisionale di diagnosi e terapia. La creazione di bendaggi intelligenti che possano rilevare tali parametri e avvertire i medici in caso di condizioni critiche è perciò argomento di discussione in questi decenni. Mentre l'elettronica convenzionale spesso fallisce in questo scopo a causa dell'incompatibilità meccanica tra il corpo umano e i circuiti rigidi, l'elettronica flessibile sta prendendo sempre più piede nello sviluppo di tali tecnologie. In particolare, la classe di sistemi ionotronici, basata su polimeri conduttivi, riesce a unire la necessità di sistemi flessibili con l'urgenza di fronteggiare la crisi ambientale. Questo progetto di tesi magistrale presenta CareGum, un potenziale materiale candidato per lo sviluppo di bende intelligenti. CareGum è un idrogelo conduttivo, adesivo, modellabile ed elastico, dall'aspetto gommoso. Lo scopo di questo progetto è stato analizzare le proprietà elettroniche di CareGum, per sfruttarle per applicazioni indossabili. Le sue caratteristiche sono state studiate principalmente attraverso tecniche di analisi dell'impedenza, eseguendo test di sweep di frequenza in un ambiente controllato. In particolare, è stata analizzata la risposta di CareGum a diversi parametri, come allungamento, pressione, pH, temperatura e umidità e la sua capacità di monitoraggio del movimento. I risultati della caratterizzazione hanno evidenziato le attraenti qualità di CareGum, inclusa la sua capacità di rispondere in modo coerente a tutti gli stimoli proposti. Inoltre, la sua estrema flessibilità ha permesso a CareGum di adattarsi al corpo umano, catturandone i movimenti. Pertanto, i risultati di questo lavoro potrebbero fungere da apripista per lo sviluppo di un bendaggio intelligente multimodale per il monitoraggio delle ferite.