Design, fabrication and characterization of biocompatible soft strain sensors for implantable applications

Abstract

Cardiovascular diseases remain a major global health challenge, with effective post-operative monitoring critical for improving patient outcomes and reducing hospital readmissions. This study presents the design, fabrication, and characterization of biocompatible soft strain sensors for implantable applications, focusing on continuous and precise cardiac strain monitoring. Two sensor types were developed: resistive and capacitive. While the resistive sensors provided initial insights, they faced durability limitations under cyclic loading, leading to the design of capacitive sensors with interdigitated configurations. The capacitive sensors were constructed with polydimethylsiloxane encapsulation and 25 µm copper conductive elements. Theoretically, this design yielded a baseline capacitance of 0.228 pF and demonstrated sensitivity increments of 10, 20, and 30 fF under 5%, 10%, and 15% strain, respectively. Durability tests included continuous cyclic loading at 10% strain for over 12 hours, where the sensors exhibited minimal baseline drift and consistent signal integrity. Additionally, the capacitive sensors maintained stability under large strain amplitudes of 25% and demonstrated pressure insensitivity, ensuring operational reliability in dynamic physiological environments. Characterization under simulated cardiac conditions using a ViVitro Superpump confirmed the sensor's ability to detect minimal volumetric changes and to accurately trace distinct phases of a heartbeat. These findings underscore the potential of the proposed sensors for real-time telemetric cardiac monitoring, offering high sensitivity, durability, and biocompatibility. This work lays a critical foundation for next-generation implantable devices aimed at enhancing cardiovascular care.

Kardiyovasküler hastalıklar, dünya genelinde önemli bir sağlık sorunu olmaya devam etmekte ve ileri teşhis ve tedavi araçlarına olan ihtiyacı vurgulamaktadır. Sol ventrikül gerinim analizi yoluyla sürekli kardiyak izleme, özellikle ameliyat sonrası sonuçların iyileştirilmesinde ve hastane tekrar yatış oranlarının azaltılmasında önemli bir potansiyel sunmaktadır. Bu çalışma, hassas ve uzun vadeli kardiyak izleme çözümleri için özel olarak tasarlanmış biyouyumlu yumuşak gerinim sensörlerinin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Direnç tabanlı ve kapasitif olmak üzere iki sensör tipi geliştirilmiştir. Direnç bazlı sensörler, gerinim ölçümünde uygulanabilirliği göstermiş, ancak döngüsel yükleme altında dayanıklılık sorunlarıyla karşılaşmıştır. Bu bağlamda, istikrar ve hassasiyet açısından üstünlük sunan tarak konfigürasyonlu kapasitif sensörler tasarlanmıştır. Polidimetilsiloksan ile enkapsüle edilen ve 25 µm bakır iletken elemanlarla üretilen kapasitif sensörler, tasarımında teorik olarak 0,228 pF'lik bir başlangıç kapasitansı sağlamış ve sırasıyla %5, %10 ve %15 gerinim altında 10, 20 ve 30 fF kapasitans artışları göstermiştir. Dayanıklılık testlerinde, sensörler 12 saat döngüsel gerinime maruz bırakılmış ve minimal başlangıç kayması ve tutarlı sinyal devamlılığı sergilemiştir. Ayrıca, kapasitif sensörler %25 gibi büyük gerinim genliklerinde stabil kalmış ve çeşitli kuvvetlere karşı basınç duyarsızlığı göstermiştir, bu da dinamik fizyolojik ortamlar için operasyonel güvenilirliği garanti etmektedir. ViVitro Superpump kullanılarak simüle edilmiş kardiyak koşullar altında yapılan karakterizasyon, sensörün düşük hacimsel değişiklikleri algılama ve bir kalp atışının farklı evrelerini doğru bir şekilde izleme yeteneğini doğrulamıştır. Bu bulgular, önerilen sensörlerin gerçek zamanlı telemetrik kardiyak izleme için yüksek hassasiyet, dayanıklılık ve biyouyumluluk sunduğunu göstermektedir. Bu çalışma, kardiyovasküler bakımı geliştirmeyi amaçlayan bir sonraki nesil implant edilebilir cihazlar için kritik bir temel oluşturmaktadır.