本文介绍了制造和表征一种可延展、类皮肤电子系统的方法，以及将其用于临床应用（特别是皮肤伤口管理）的操作规程。
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摘要
摘要
电子技术和生物医学设备的最新进展为皮肤表面的无创、定量评估皮肤伤口愈合提供了可能。然而，现有的方法仍然依赖于通过各种显微工具和设备进行的视觉检查，这些工具和设备通常包含高成本、复杂的系统，并需要经过专业培训的人员进行操作和数据分析。本文介绍了一种可贴合于伤口附近皮肤表面的、类似皮肤的柔性电子系统的制备方法与实验方案，该系统能够记录高保真的电信号，如皮肤温度和热导率。器件制备方法详细描述了微电子系统的逐步制备过程，整个系统完全由弹性硅胶材料封装，以实现电气隔离。实验研究表明，该器件具备多功能、生物相容性、防水、可重复使用以及柔韧/可拉伸等特性，适用于临床应用。临床测试方案概述了在患者皮肤伤口及对侧组织上轻柔安装此类类皮肤电子设备后的清洁、测试设置、系统操作和数据采集的顺序流程。
引言
在临床研究和生物医学研究中，伤口愈合的监测主要依赖于一种侵入性方法，该方法基于对伤口组织形态学变化的组织学评估1,2。近年来，电子技术的快速发展推动了高精度成像与分析工具的开发，这些工具可通过数字成像3,4或共聚焦扫描显微镜与光谱技术4,5对伤口愈合过程进行可视化检测。然而，这些成像方法成本高昂，需要复杂的光学设备和操作流程，更重要的是，患者在检测过程中必须保持静止。因此，亟需开发出新型的定量、非侵入性、操作简便、成本低廉且多功能的设备与系统，以实现更精确的伤口管理。
本文介绍了一种类皮肤电子系统，该系统可通过设备的非侵入性共形贴合，精确、实时地映射温度和热导率，并在伤口部位提供精确水平的加热。该设备代表了一类被称为表皮可穿戴电子系统的技术，其设计旨在匹配表皮的力学和材料特性（总厚度、弯曲刚度、有效模量和质量密度）6-9。
该设备采用生物相容、对皮肤友好、防水且可重复使用的设计，可进行清洗和消毒，适用于患者的临床应用10。贴附于伤口组织附近的柔性电子设备可通过定量记录温度8和与水合状态相关的热导率13，捕捉由血流增加和伤口处酶促反应引起的炎症阶段（伤口愈合过程中的一个阶段）11,12。实验与计算研究确定了最优的力学设计，能够在不发生机械断裂的前提下适应自然运动和施加的应变，并揭示了该类皮肤状电子器件在皮肤表面保形贴合时拉伸力学行为的内在物理机制，从而实现高保真信号的采集。
本文所述方案介绍了类肤电子系统的微加工方法、测试前准备（包括器件清洗、临床环境中的设备设置）以及用于定量监测皮肤伤口温度和热导率的临床应用。
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方案
图 1、2 和 4 中所示的器件制备、皮肤贴合与表征实验涉及两名志愿者，所有实验均在美国弗吉尼亚州里士满市弗吉尼亚联邦大学（VCU）的生物界面纳米工程实验室完成。本研究已获得弗吉尼亚联邦大学机构审查委员会批准（协议编号：HM20001454），并遵循弗吉尼亚联邦大学人类研究的相关研究指南。图 3 和 5 中所示的器件与临床数据来自已发表的文章10，其中针对患者的实验是在美国伊利诺伊州芝加哥市西北大学机构审查委员会批准的协议（编号：STU69718）下进行的。
1. 器件制备
注意：图2展示了整体制造过程的示意图。
- 准备载样基底
- 使用金刚石刀片将一片裸露的3英寸 硅（Si）晶圆切割成所需电子器件尺寸。
注：约半片硅晶圆是伤口器件的理想尺寸。 - 用丙酮和异丙醇（IPA）对硅晶圆进行脱脂处理，再用去离子水（DI水）冲洗，随后用氮气吹干，并在热板上110 °C条件下脱水3分钟。
- 按10:1的体积比配制11 g聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物（基础剂与固化剂），并在真空腔中脱气1小时。
注：PDMS用于微加工后的干法图案转移与拾取，相较于先前研究中基于湿化学（丙酮）的方法更具优势7。 - 将5 g混合后的PDMS溶液以3,000 rpm转速旋涂于晶圆上，持续1分钟 ，然后在热板上150 °C条件下完全固化30分钟。
- 使用金刚石刀片将一片裸露的3英寸 硅（Si）晶圆切割成所需电子器件尺寸。
- 沉积材料并图案化电子结构
- 使用紫外光（UV）/臭氧处理（UV灯功率：8.9 mW/cm2）PDMS涂层晶圆表面3分钟 ，使表面亲水。
注：亲水表面有助于在PDMS上均匀涂覆后续各层材料。 - 通过移液方式将聚酰亚胺（PI；2 ml）旋涂于PDMS涂层晶圆上，以4,000 rpm转速旋涂1分钟 ，形成厚度为1.2 µm的薄膜，先在热板上150 °C预烘5分钟，再于250 °C后烘2小时。
- 采用电子束（e-beam）蒸发法（本底压力：~1×10-7 Torr，沉积压力：~1×10-6 Torr，沉积速率：1–5 Å/s）先沉积一层20 nm厚的铬（Cr），再沉积一层3 µm厚的铜（Cu）。通过蒸发仪内置的膜厚控制器监测薄膜厚度。
注：较厚的Cu层可为器件中的微尺度电阻提供足够的电导率，而薄Cr层则用于增强PI与Cu之间的附着力。 - 分三步旋涂光刻胶（2 ml）：900 rpm持续10秒，1,100 rpm持续60秒，4,000 rpm持续20秒 ，然后在热板上75 °C条件下固化30分钟。
注：上述分步旋涂工艺用于沉积较厚（> 10 µm）的光刻胶层。 - 使用紫外光对准器（功率：10 mW/sec，曝光时间25秒）将Cu电子图案（传感器：宽度为35 µm的分形“Peano”结构；互连导线：宽度为50 µm的蛇形开放网格结构）对准并置于硅晶圆中心位置。
注：与简单的蜿蜒结构相比，分形结构可提供更优异的机械拉伸性能14。 - 在稀释的碱性显影液（显影液与去离子水按1:2体积比混合）中显影1分钟，用去离子水冲洗，并用氮气吹干。使用显微镜检查图案（Cu分形结构与互连线），确认特征尺寸并排查颗粒污染引起的缺陷。
注：若存在非预期缺陷，则用丙酮/IPA/去离子水冲洗去除光刻胶。氮气吹干后，重复步骤1.2.4至1.2.6。 - 将硅晶圆浸入湿法化学刻蚀液中约6分钟 （10 ml；过硫酸铵与水按1:4体积比混合；40 °C下刻蚀速率为8 nm/sec ）以刻蚀Cu层，随后用去离子水冲洗并用氮气吹干。使用显微镜检查图案是否存在过刻蚀。
注：若图案过刻蚀，可能导致特征边缘出现非预期的锐利边缘，进而在器件操作和清洗过程中引发机械断裂。前期测试结果表明，原始图案刻蚀量超过约20%时会出现上述问题。 - 采用反应离子刻蚀（RIE；压力：300 mTorr，功率：200 W，CF4气体流量：5 sccm，O2气体流量：10 sccm）刻蚀Cr层5分钟。检查图案。
注：对于Cr层的刻蚀，RIE工艺优于湿法化学刻蚀，后者可能与Cu层发生不利反应。 - 依次将晶圆浸入丙酮（10 ml）、IPA（10 ml）和去离子水（20 ml）中，以去除金属层上残留的光刻胶，然后用氮气吹干。
- 通过移液方式将PI（2 ml）旋涂于已沉积金属的晶圆上，以4,000 rpm转速旋涂1分钟 ，形成厚度为1.2 µm的保护层，先在热板上150 °C预烘5分钟，再于250 °C后烘2小时。
- 分三步旋涂光刻胶（2 ml）：900 rpm持续10秒，1,100 rpm持续60秒，4,000 rpm持续20秒 ，然后在热板上75 °C条件下固化30分钟。
- 使用紫外光对准器（功率：10 mW/sec，曝光时间25秒）将PI封装图案（覆盖Cu电子结构，包括宽度为35 µm的分形“Peano”传感器和宽度为250 µm的蛇形互连导线）与预先定义的Cu分形结构和互连导线对准。
- 用稀释显影液（显影液与去离子水按1:2体积比混合）显影1分钟，用去离子水冲洗，并用氮气吹干。使用显微镜检查图案，确认特征尺寸并排查颗粒污染引起的缺陷。
注：若存在非预期缺陷，则用丙酮/IPA/去离子水冲洗去除光刻胶。氮气吹干后，重复步骤1.2.10至1.2.13。 - 采用反应离子刻蚀（RIE；压力：170 mTorr，功率：150 W，O2气体流量：20 sccm）刻蚀PI层25分钟。检查图案。
- 依次将晶圆浸入丙酮（10 ml）、IPA（10 ml）和去离子水（20 ml）中，以去除残留的光刻胶，然后用氮气吹干。
- 使用紫外光（UV）/臭氧处理（UV灯功率：8.9 mW/cm2）PDMS涂层晶圆表面3分钟 ，使表面亲水。
- 制备弹性膜
- 按1:1体积比配制10 g封装用硅胶混合物（基础剂与固化剂），并加入等体积黑色墨水15，以便使用红外相机对皮肤上的温度变化进行控制测量。
注：所用硅胶（透明封装橡胶）具有低粘度、光学透明性和电气绝缘/保护等独特特性16。 - 将8 g混合物在培养皿中以150 rpm转速旋涂1分钟 ，形成厚度为500 µm的弹性膜，并在室温下静置过夜（O/N）固化。
注：材料需放置于平坦表面以确保厚度均匀。 - 使用锋利的剃刀片将膜切割为70 mm × 30 mm的所需尺寸，并小心从培养皿上剥离。
- 按1:1体积比配制10 g封装用硅胶混合物（基础剂与固化剂），并加入等体积黑色墨水15，以便使用红外相机对皮肤上的温度变化进行控制测量。
- 拾取并转移电子结构
- 裁剪一段水溶性胶带（25 mm × 80 mm），轻轻贴合至已制备的电子图案表面，并将其置于130 °C热板上3分钟。
注：升温可使硅晶圆上的PDMS层膨胀，有助于电子图案从表面分离。 - 迅速将胶带从PDMS/Si晶圆上剥离，以拾取电子图案。
- 采用电子束蒸发法在拾取的图案上先沉积20 nm厚的Cr（用于增强附着力），再沉积50 nm厚的二氧化硅（SiO2）。
- 使用紫外灯（365 nm，8.9 mW/cm2）对目标硅胶膜进行UV/臭氧处理2分钟 ，以活化其表面。
- 将拾取的图案通过胶带转移至硅胶膜的指定位置，从图案顶部均匀施加压力，使其与基底贴合，然后加水溶解胶带，持续5分钟。
注：该材料转移过程得益于沉积的二氧化硅 与经UV活化的硅胶基底之间形成的共价键（Si-O-Si）17。 - 剥离胶带，用去离子水冲洗，并在热板上90 °C条件下干燥1分钟。
- 裁剪一段水溶性胶带（25 mm × 80 mm），轻轻贴合至已制备的电子图案表面，并将其置于130 °C热板上3分钟。
- 使用硅胶膜封装器件
- 按1:1体积比配制10 g封装用硅胶混合物（基础剂与固化剂）。
- 用一块矩形PDMS片（22 × 6 × 1 mm3）通过范德华力与底部硅胶膜粘附，覆盖住导线焊盘，以防止硅胶涂覆到焊盘区域。
- 将5 g硅胶混合物以4,000 rpm转速旋涂1分钟 ，在已转移的电子结构上形成5 µm厚的封装层，随后在室温下静置过夜（O/N）固化。
- 连接柔性带状电缆以进行数据采集
- 通过移液方式在连接焊盘上施加液态钢助焊剂（0.5 ml），持续3秒 ，以清洁表面。
- 在高温（> 60 °C）下施加压力，将薄型柔性带状电缆键合至接触点。通常可使用普通直发器实现便捷操作与键合。
注：与传统硬线焊接相比，微薄膜电缆更有利于避免硅胶基底上转移金属膜的机械断裂。 - 使用数字万用表检测电气连接。传感器焊盘与薄膜电缆一端之间的电阻值应小于1欧姆（两端相距约1 cm）。
- 采用与步骤1.6.2相同的方法，将带状电缆另一端键合至定制印刷电路板（PCB）。
- 使用数字万用表再次检测电气连接。
- 通过在PCB上焊接常规导线，将器件连接至数据采集硬件。
2. 临床检测
- 使用消毒溶液清洁设备
- 准备205 g稀释的消毒溶液（水与溶液的体积比为40:1）。
- 将溶液（10 g）喷洒在设备上，并浸泡10分钟。
注意：稀释后的消毒清洁剂可在室温下保存。 - 用清水冲洗三次，并用洁净的纸巾擦干。
- 搭建用于设备测试的一系列装置
- 准备并连接锁相放大器、电流源、多路复用器，以及安装在笔记本电脑上的自定义软件，用于数据记录。
- 将红外相机置于三脚架上，并对准目标物体进行热成像，作为参考。
- 设置锁相放大器的系统参数，以在恒定电流（2 mA）条件下测量热导率（频率：1 & 3 Hz；时间常数：3 和 1 秒；灵敏度：1 mV；动态储备：高储备）和温度（频率：997 Hz；时间常数：300 毫秒；灵敏度：2 mV；动态储备：低噪声）。
- 在从患者记录数据前，将通过微加工和转移印刷制备并分别贴附于伤口部位和对侧部位的两个设备连接至多路复用器。
- 记录温度和热导率
注意：数据采集软件为定制开发，可远程控制锁相放大器，实现数据的实时监控与保存。在温度测量中，每个数据点每隔300毫秒测量一次，持续20秒。前10秒 和后10秒 的数据分别用于计算平均温度值和标准差。记录的数据随后保存为逗号分隔值文件，用于绘制图表并与红外热成像数据进行比较。在热导率测量中，3Ω信号直接从硬件屏幕（放大器）读取，随后用于解析计算热导率。- 使用无菌酒精擦拭片轻轻擦拭设备在皮肤上的贴附部位10。
- 2.3.2) 通过手指轻轻按压设备至皮肤，将两个设备层压贴附于目标皮肤位置，以实现柔软贴合：一个贴于手术伤口部位，另一个贴于对侧位置作为参考。
- 启动数据采集，测量与热导率相关的设备电电压（3Ω）。
- 评估所获得的数据以验证设备与皮肤的共形接触；异常值（< 0.1 W/mK）表明设备接触不良。
- 测量电阻以确定温度分布，并通过自定义软件记录数据。
- 拍摄皮肤上两个设备的光学图像和红外图像。
- 将红外图像中的温度值与伤口设备记录的数据（2.3.5）进行比较。将两个数值分别添加至自定义电子表格的不同列中。
- 分析记录的数据
- 将记录的数据导出至自定义模板，自动计算设备中传感器阵列的温度和热导率。
- 绘制数据（在不同时间尺度下，根据传感器位置的温度和热导率）以进行比较，时间跨度为一个月（第1、3、15和30天共四组数据）。
- 通过比较随时间变化的一系列温度和热导率数据来分析结果；数值的突然升高或降低提示伤口愈合阶段的变化和/或伤口部位出现意外异常。
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结果
图1展示了专为患者皮肤伤口定量管理而设计的共形类肤电子系统的特性概览。该多功能电子器件由微尺度分形结构3,14和细丝状蛇形迹线9,17组成，集成于一层薄的弹性体膜上，具有优异的机械拉伸性和弯曲性。整个器件被硅胶层完全包封，仅通过范德华力即可实现与皮肤的温和、可逆贴合。该器件的独特特性包括生物相容性、防水性、使用便捷性以及适用于真实临床环境的机械柔韧性。
将聚合物与金属（如硅胶、聚酰亚胺和铜）等杂化材料结合，可制备出电学安全、防水且具有生物相容性的器件（图2A）。在封装的聚酰亚胺（PI，厚度为1.2 µm）层之间，将分形结构的铜（Cu）电阻器阵列（宽度35 µm，厚度3 µm）置于中性机械面上，以在临床应用中最小化对核心材料（Cu）施加的弯曲应变。
通过实现极高的弯曲性，该器件在硅胶膜上的总厚度仅为约 600 µm。图 2B 中的示意图描述了类皮肤电子系统的微加工过程。该制造方法结合了...
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讨论
本文重点介绍了制备一种可延展、类皮肤电子系统的方法与实验方案，该系统可紧贴伤口周围组织进行共形贴合，实现对皮肤温度的定量测量以及皮肤热导率的映射分析。
其主要特点包括采用新型材料转移印刷技术和硬-软材料集成方法，用于设计和开发柔性/可拉伸的软体电子器件。通过使用生物相容且电学安全的硅胶层完全封装器件，首次实现了该类电子器件在临床实际环境中的应用，即用于患者的皮肤伤口管理。
在器件制备的方案中，以下步骤对于提高制备产率至关重要。对器件中的金属层（Cu）进行湿法化学刻蚀时，必须严格控制时间，因为铜的刻蚀速率比其他金属更快。铜过度刻蚀的主要缺点是会改变器件的总电阻，这将需要对数据采集系统的设备参数进行额外的优化和调整。需要注意的是，在从承载用聚二甲基硅氧烷（PDMS）上回收分离后的电子器件时，应使用多层水溶性胶带，以避免发生断裂。在用水溶性胶带完成电子器件的转移印刷后，使用去离子水多次冲洗以彻底清除可溶性材料（聚乙烯醇）的残留物，这一步骤极为重要。在将导线电缆与器件键合的过程中，必须格外小心，因为器件位于高度柔性和可弯曲的材料（低模...
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本工作得到了弗吉尼亚联邦大学工程学院启动资金的支持，部分电子器件在赖特弗吉尼亚微电子中心的微加工设施中制备。我们感谢研究人员为设备和临床数据（本文中的图3和图5）所做出的贡献，这些数据来自已发表的文章10。W.-H.Y 感谢 Yoshiaki Hattori 提供的定制数据记录软件。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3" 硅片 | University Wafer, USA | 用作制造器件的载体 | |
| 丙酮 | Fisher Scientific, USA | A18-1 | 用于清洗硅片以及去除光刻胶 |
| 异丙醇（IPA） | Fisher Scientific, USA | A459-1 | 用于清洗硅片 |
| AZ4620 光刻胶 | AZ Electrionic Materials, USA | 用于在金属和聚合物上制作图形 | |
| AZ400K 显影液 | AZ Electrionic Materials, USA | 用于显影 AZ4620 光刻胶 | |
| 铬蚀刻液 | Transene, USA | 1020AC | 用于蚀刻器件中的 Cr 层 |
| 铜蚀刻液 | Transene, USA | ASP-100 | 用于蚀刻器件中的 Cu 层 |
| Sylgard 184 硅橡胶弹性体套件（PDMS） | Dow Corning, USA | 39100000 | 用作“干法”转移的基底 |
| PI2545 聚酰亚胺 | HD MicroSystem, USA | 用于封装金属层 | |
| Solaris | Smooth-On, USA | 用作基底并用于封装器件 | |
| 培养皿 | Carolina, USA | 741255 | 用作制作基底的模具 |
| 水溶性波峰焊胶带 5414 | 3M, USA | AM000000217 | 用于从 PDMS 层上转移器件 |
| 高活性液体不锈钢助焊剂 | Worthington, USA | 331929 | 用于去除 Cu 表面的氧化层 |
| 柔性微薄膜电缆 | Elform, USA | 用于实现电子器件与数据采集系统之间的电连接 | |
| pH 中性清洁剂 | Australian Gold, USA | 在临床测试中用作消毒液以清洁器件 | |
| 焊料 | Kester, USA | 24-6337-9703 | 用作焊接硬质导线的材料 |
| 紫外灯 | Cole-Parmer, USA | 97600-00 | 用于激活 PDMS 层，使其表面具有亲水性 |
| 多路复用器 | FixYourBoard, USA | U802 | 用于从六个传感元件获取测量信号 |
| 直流/交流电流源 | Keithley, USA | 6221 | 用于提供电流 |
| SMD 数字热风返修台 | Aoyue, China | 968A+ | 用于焊接硬质导线，实现器件与外部仪器之间的电连接 |
| 红外相机 | FLIR, USA | 435-0001-01-00 | 用于实验中采集红外图像 |
| 数字万用表 | Fluke, USA | 117 | 用于检测电路连接情况 |
| 锁相放大器 | Stanford Research System, USA | SR830 | 用于执行四探针测量 |
| 电子束蒸发仪 | 9 scale Vacuum Products, USA | 用于沉积薄膜（Cu 和 SiO2） |
参考文献
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