使用光刻胶喷雾涂覆与柔性光掩膜在皮下注射针尖端制备微细电极用于生物医学应用

摘要

本研究展示了在皮下注射针尖端（直径：720 µm）制备精细叉指电极（间隙和宽度：20 µm）的方法，该方法在光刻工艺中采用喷雾涂覆和柔性薄膜光掩模技术。

摘要

我们介绍了一种用于针上电化学阻抗谱（EIS-on-a-needle，EoN）的制备方法，通过测量和分析不同生物组织间电学阻抗的差异，实现对体内目标组织的定位。本文描述了在皮下注射针尖端采用光刻胶喷雾涂覆和柔性薄膜光掩模技术，在光刻工艺中制备精细叉指电极（IDEs）的方法。采用壁厚为25 µm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）热缩管（HST）作为绝缘和钝化层。与广泛用作介电涂层材料的聚对二甲苯类聚合物相比，PET HST具有更高的机械耐久性。此外，HST对大多数酸和碱表现出良好的化学稳定性，有利于减少EoN在使用过程中受到的化学损伤。EoN特别适用于涉及酸性或碱性化学品的化学/生物材料表征或制备过程。所制备的叉指电极间隙和线宽最小可达20 µm，整体宽度和长度分别为400 µm和860 µm。叉指电极起始点距离针尖的制备余量（即皮下针针尖与叉指电极起始点之间的距离）最小为680 µm，表明在进行电化学阻抗测量时可避免对生物组织造成不必要的过度侵入。EoN在临床应用中具有广阔前景，例如可用于甲状腺活检及椎管内麻醉药物递送。此外，在涉及肿瘤部分切除的手术中，EoN还可通过检测正常组织与病变组织之间的手术切缘（即随肿瘤切除而被移除的正常组织），尽可能保留正常组织。

引言

皮下注射针头因其成本低廉且使用方便，被广泛应用于医院的活检和药物递送。尽管其直径较细，但仍具有优异的机械性能，且其锋利的边缘结构适合穿刺。在进行活检时，通常在超声引导下，利用皮下注射针头的中空结构获取目标组织样本¹。尽管超声检查无辐射，对胎儿和孕妇安全，并能提供实时成像，但由于超声波无法穿透空气或脂肪组织，因此在观察体内较深的器官时存在困难，尤其对于肥胖患者更为明显²。此外，目前大多数医院常规使用的二维超声无法提供深度信息，若医生缺乏经验或技术不足，则可能需要进行多次活检。在脊髓麻醉的药物递送过程中，医生通过缓慢将针头插入患者背部，并观察脑脊液（CSF）是否回流至注射器内，来判断针头是否已到达脊髓腔。确认脑脊液回流后，即将麻醉药物注入脊髓腔³。然而，该操作存在刺穿或切断脊髓腔内神经纤维的风险，可能导致患者剧烈疼痛甚至截瘫^4,5。因此，该操作同样需要经验丰富的医生完成。解决上述困难的一种方案是为皮下注射针头增加导航功能，从而提供关于针头位置的客观信息。这将有助于医生在不完全依赖个人经验判断的情况下，顺利实施活检、药物递送甚至手术操作。

为了在体内通过电学方法定位目标组织，已提出一种集成了电学阻抗谱（EIS）传感器的皮下注....

方案

1. 皮下注射针头的电绝缘

注意：使用透明热缩管（HST）对直径为 720 µm、长度为 32 mm 的皮下注射针进行电绝缘。该热缩管由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成，具有良好的耐酸碱性、优异的机械耐久性以及生物相容性。热缩管的初始内径和壁厚分别为 840 µm 和 25 µm。在 100 °C 温度下，热缩管直径通常会收缩超过 50%，在温度升至 190 °C 时收缩程度更大。需注意，PET 热缩管是一种热固性材料，固化后会永久变硬并保持刚性。皮下注射针和热缩管的尺寸可根据研究目的和应用需求进行调整。整体制造过程在图 1中以示意图形式总结。

1. 将HST切割至3 cm长度。根据皮下注射针头的穿透深度调整管子的长度。
2. 将皮下注射针头插入已切割的HST中。
3. 使用热风枪在150 °C温度下收缩管子，该温度设定可防止在后续清洗步骤（步骤1.6）中于105 °C脱水时发生不必要的额外收缩。
4. 将皮下注射针头与其针座分离。
5. 将由HST绝缘的皮下注射针头置于去离子（DI）水浴（20 °C）中，使用30 kHz频率和350 W功率的超声波搅拌进行清洗。
6. 将由HST绝缘的皮下注射针头置于加热板上，在105 °C条件下加热10分钟以完成脱水。

2. ....

结果

如图2所示，叉指电极（IDEs）相较于其他形状的电极，可在有限的表面上实现更大的有效传感面积。IDEs的总长度设计为860 µm，用于检测和分析生物组织中小于1 mm间隔的阻抗变化，从而在活检和药物递送过程中提供高定位精度。IDEs的总宽度为400 µm，在采用所提出的光刻工艺时，该尺寸在皮下注射针头的曲面上具有几何可行性。IDEs的间隙和宽度均小至20 µm，接近商用薄膜光掩模的最小加工尺寸。考虑到甲状腺/前列腺活检和脊髓麻醉的应用需求，EoN在生物组织中的最大穿透深度设计为20 mm。EoN的总长度可根据具体应用进行调整。

如图3所示，叉指电极（IDEs）已成功制备于外径为720 µm的皮下注射针尖端。在紫外光刻过程中需进行过量曝光，以补偿光掩模外缘与皮下注射针曲面之间因接触不完全所导致的紫外光剂量分布不均。对于正性光刻胶而言，这.......

讨论

我们证明了，采用喷雾涂覆和薄膜光掩模的光刻技术是一种可行的方法，可用于在直径小于1 mm的皮下注射针头的曲面上制备精细的叉指电极（IDE）。叉指电极的线宽和间隙均可小至20 µm，且电极距针尖的制备边距可小至680 µm。在该工艺流程中，包含楔形误差校正的对准过程是关键步骤。当通过严格的对准工艺单独制造针尖电极（EoN）时，生产良率超过90%。这表明所提出的制备方法具有发展为低成本批量生产的潜力。

EoN 对 PBS、猪脂肪/肌肉组织，甚至人类肾组织的区分能力此前已得到验证^6,23,24。一项临床应用是在肿瘤部分切除手术中，通过检测正常组织与病变组织之间的手术切缘，尽可能保留正常组织²⁵。此外，EoN 预计还可应用于其他临床场景，如甲状腺/前列腺活检以及脊髓腔麻醉药物递送。

尽管本研究中叉指电极.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
热缩管	VENTION MEDICAL, Inc.	103-0655
皮下注射针头（22G）	HWAJIN MEDICAL co. ltd	-	http://www.hwajinmedical.com
热风枪	Weller	WHA600	http://www.weller-tools.com/en/Home.html
超声波清洗机	HWASHIN INSTRUMENT CO, LTD.	POWERSONIC 620-	http://www.hwashin.net
加热板	AS ONE 公司	006560
溅射	A-Tech System. Ltd.	ATS/SPT/0208F	http://www.atechsystem.co.kr
载玻片	Paul Marienfeld GmbH & Co. KG	1000412
喷雾涂布机	LITHOTEK	LSC-200
光刻胶	AZ电子材料	GXR 601	http://www.merck-performance-materials.com/zh/index.html
显影液（溶液）	AZ 电子材料	MIF 300	http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html
矫治器	MIDAS SYSTEM CO., Ltd.	MDA-400M	http://www.midas-system.com
显微镜	尼康公司	L200	http://www.nikonmetrology.com
金湿法刻蚀液	TRANSENE 公司，股份有限公司	金蚀刻剂类型 TFA	http://transene.com
铬湿法刻蚀液	KMG电子化学品公司	CR-7	http://kmgchemicals.com
Au靶向	薄膜与精细材料	-	http://www.thifine.co.kr
Cr靶	薄膜与精细材料	-	http://www.thifine.co.kr
氩气（99.999%）	SINIL 气体有限公司	-	http://www.sigas.kr
丙酮溶液	OCI公司有限公司	-	http://www.ocicorp.co.kr/company/index.asp
阻抗分析仪	Gamry Instruments Inc	参考文献 600	https://www.gamry.com
高度控制器	Mitutoyo Corporation	192-613
磷酸盐缓冲液	Life Technologies Corporation	10010023