Desarrollo y caracterización de electrodos de grafeno inducido por láser (LIG) para electroestimulación muscular

Abstract

Las afecciones musculoesqueléticas constituyen una de las principales causas de discapacidad a nivel mundial, impactando negativamente la calidad de vida y productividad de las personas. Entre estas prevalecen, el dolor lumbar crónico y las lesiones por esfuerzo repetitivo, especialmente en ambientes laborales con condiciones ergonómicas y protocolos de seguridad deficientes, como en Guatemala. La electroestimulación funcional es una técnica de rehabilitación neuromuscular que puede ayudar a reducir el dolor, prevenir la atrofia muscular y mejorar la función motora mediante la aplicación controlada de pulsos eléctricos sobre la piel, estimulando fibras musculares y nervios periféricos. No obstante, la eficacia de esta técnica depende principalmente de la calidad de los electrodos utilizados, donde los electrodos convencionales presentan limitaciones en selectividad, rigidez y pueden requerir el uso de gel conductor para optimizar la conductividad. En este contexto, los electrodos de grafeno inducido por láser (LIG) surgen como una alternativa prometedora por su alta conductividad, exibilidad, biocompatibilidad y bajo costo. En este proyecto se fabricaron electrodos de grafeno inducido por láser sobre Kapton ® y se desarrolló un método de aislamiento dieléctrico utilizando un sistema mecánico de alineación para delimitar el área activa del electrodo. Se realizaron pruebas eléctricas, voltametría cíclica y espectroscopía de impedancia para evaluar el efecto del aislamiento sobre el comportamiento electroquímico. Finalmente, se validó su desempeño en el registro de señales EMG y ECG, así como en electroestimulación muscular, comparando los resultados con electrodos comerciales Ag/AgCl.

Musculoskeletal conditions are one of the leading causes of disability worldwide, negatively impacting people's quality of life and productivity. Among these, chronic low back pain and repetitive strain injuries are prevalent, especially in work environments with poor ergonomic conditions and safety protocols, such as in Guatemala. Functional electrostimulation is a neuromuscular rehabilitation technique that can help reduce pain, prevent muscle atrophy, and improve motor function through the controlled application of electrical pulses to the skin, stimulating muscle fibers and peripheral nerves. However, the effectiveness of this technique depends mainly on the quality of the electrodes used, where conventional electrodes have limitations in selectivity and rigidity and may require the use of conductive gel to optimize conductivity. In this context, laser-induced graphene (LIG) electrodes emerge as a promising alternative due to their high conductivity, exibility, biocompatibility, and low cost. In this project, laser-induced graphene electrodes were fabricated on Kapton and a dielectric insulation method was developed using a mechanical alignment system to delimit the active area of the electrode. Electrical tests, cyclic voltammetry, and impedance spectroscopy were performed to evaluate the effect of insulation on electrochemical behavior. Finally, their performance was validated in EMG and ECG signal recording, as well as in muscle electrostimulation, comparing the results with commercial Ag/AgCl electrodes.