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方法文章

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

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DOI：

10.3791/56622

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2017年11月28日

 ,  , 
1Department of Biomedical Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

本文内容

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）传感器的皮下注射针，称为针上电学阻抗谱（EIS-on-a-needle, EoN）6。目前，EIS传感器在生物医学工程领域已有广泛应用，例如用于DNA检测7,8,9、细菌/病毒检测10,11,12，以及细胞/组织分析13,14,15,16,17,18,19,20,21,22。EoN能够基于不同材料的电导率和介电常数，在频域中区分不同类型的材料。EoN的分辨能力已在不同浓度的磷酸盐缓冲液（PBS）23、猪脂肪/肌肉组织6,23，甚至人类肾脏正常/癌变组织24,25中得到验证。EoN的这一能力有望通过识别目标病变组织与邻近正常组织之间的电学阻抗差异，显著提高活检的准确性。类似地，研究药物注射空间（如脊髓腔或硬膜外腔）与周围组织之间的电学阻抗差异，可帮助临床医生将麻醉药物精确输送到目标位置。此外，EoN还可用于脑部或肌肉的电刺激，并在涉及肿瘤部分切除的手术（如部分肾切除术）中，帮助确定最佳手术切缘，以尽可能保留正常组织。

实现针上电极（EoN）的最大挑战之一是在曲率半径较小的皮下注射针曲面上制备电极。使用传统光刻工艺进行直接金属图形化被认为不适用于在直径为几毫米或更小的曲面基底上制备微米级电极。迄今为止，已有多种方法被提出用于在曲面基底上制备金属/聚合物图形，包括保形印刷26、柔性干膜光刻胶27、微流控方法28、纳米压印光刻29以及基底旋转光刻30。然而，由于EoN的特定要求，这些方法仍存在局限性，例如基底直径需小于1 mm、电极总长度需达到20 mm以上、电极宽度和间距在数十微米范围内，以及需要实现高通量生产。

本研究提出了一种采用光刻胶喷雾涂覆和柔性薄膜掩模进行直接金属图形化的方法，以实现在皮下注射针弯曲表面制备微米级电极。该针的直径仅为720 µm（22号），在医院中广泛用于活检和药物递送。此外，还评估了该 fabrication 方法的生产良率，以确定其在低成本条件下实现批量生产的可行性。

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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. 使用溅射法沉积金

注意：本研究中采用现有的溅射工艺沉积金（Au）层作为电极，尽管电子束蒸发工艺也可作为替代方法。已证实溅射过程中引起的温升极少导致HST发生额外收缩。然而，若工艺持续数分钟以上，可能会使HST温度升至初始收缩温度以上，从而引起HST的进一步收缩，导致从尖端开始的制备裕量增加。

  1. 使用双面胶带将经HST绝缘处理的洁净皮下注射针并排固定在玻璃载片上，以进行Cr/Au沉积。
  2. 使用溅射设备，在经HST绝缘处理的洁净皮下注射针上沉积Cr/Au。
    注意：本实验中Cr和Au的厚度分别为10 nm和100 nm（Cr作为HST与Au层之间的粘附层）。
    1. 尽可能多地排列针头，以降低生产成本和生产时间。采用以下溅射条件沉积10 nm Cr和100 nm Au。
    2. 进行Cr溅射时，设置Cr靶材直径：4英寸，射频功率：300 W，氩气压力：5 mTorr，快门开启时间：20 s（对应10 nm厚度）。
    3. 进行Au溅射时，使用Au靶材直径：4英寸，直流功率：300 W，氩气压力：10 mTorr，快门开启时间：80 s（对应100 nm厚度）。

3. 喷涂涂覆

注意：在喷雾涂覆过程中使用低粘度（14 cp）光刻胶以提高喷涂效率。只有在加热金溅射针后，才能在其表面均匀涂覆光刻胶。

  1. 使用双面胶带将一根溅射镀金的皮下注射针固定在载玻片上。
  2. 将载玻片放置在加热至 100 °C 的喷雾涂覆仪卡盘上。等待 2 - 3 分钟，直至针体充分加热。
  3. 在保持针体加热至 100 °C 的同时，向镀金针表面喷洒光刻胶。喷雾涂覆过程采用以下参数：喷嘴直径：400 µm，喷嘴移动速度：70 mm/s，喷雾压力：500 kPa，卡盘与喷嘴之间的距离：13.5 cm。
  4. 喷雾涂覆完成后，将载玻片留在 100 °C 的卡盘上 3 分钟，以进行预烘（软烘）处理。
  5. 使用显微镜在 100 倍放大倍数下检查结果，判断光刻胶是否在镀金针表面均匀涂覆。

4. 紫外线曝光与显影

注意：通常情况下，在进行紫外光照射前，需将柔性薄膜光掩模贴附于一块平整的透明板上，以消除光掩模与待曝光样品之间的空气间隙。然而，在本研究中，光掩模未使用平整透明板，以便在皮下注射针的曲面上直接实现金属图形化。该光掩模可顺应性地贴合皮下注射针的曲面，从而在接触式光刻对准仪条件下实现尽可能高的图形分辨率。这种弯曲设计可使柔性光掩模与皮下注射针曲面之间的接触面积最大化。考虑到采用湿法刻蚀工艺（而非剥离工艺）进行金属图形化，使用正性光刻胶比使用负性光刻胶更具优势。这是因为除电极图形区域外的整个区域均为透光区域，从而提供广阔的视野，便于将电极图形与针尖中心精确对准。

  1. 为尽量减少楔形误差，缓慢抬起可自由移动的样品承载板，直至其完全接触固定的光掩模承载板。然后使用气动泵固定样品承载板。
    1. 执行此操作可避免因样品与光掩模之间接触不完全，在空气间隙中紫外光发生散射而可能形成的不良图案。
      注意：此外，减小楔形误差可确保在下一步对准过程中，涂覆有光刻胶的穿刺针与薄膜光掩模接触时不会发生移动，即使穿刺针的接触面为圆形。
  2. 将涂覆有光刻胶的穿刺针放置在对准仪的样品承载板上。
  3. 将涂覆有光刻胶的穿刺针的投影图像与薄膜光掩模的对准图案对齐。
    注意：本例中，薄膜光掩模的对准图案设计为两条相距800 µm的平行线，该设计考虑了HST及涂覆光刻胶的厚度。
    1. 将投影图像的两条边界线与光掩模的两条平行对准线对齐（图1e）；从而使涂覆有光刻胶的穿刺针位于两条平行对准线的中心位置，对准误差不超过10 µm。
    2. 通过连接到电荷耦合器件（CCD）相机和显微镜的显示监视器实时监控对准过程。
  4. 通过缓慢将穿刺针向上抬升至光掩模，使涂覆有光刻胶的穿刺针与固定的柔性光掩模接触。
  5. 进行30秒的紫外光曝光（紫外光强度：15 mJ/cm2），随后进行3分钟的显影处理。
  6. 使用去离子水冲洗样品，去除显影液。
  7. 使用设定为200倍放大倍数的显微镜检查结果，以确定光刻胶是否在溅射金层的穿刺针表面清晰成形。若显影后曝光区域的光刻胶未完全去除，则每隔30秒重复一次显影过程。

5. 铬/金湿法刻蚀

警告：避免皮肤或眼睛接触铬和金的湿法刻蚀剂。

  1. 使用镊子将固定在玻璃载片上的样品（光刻胶图案化的皮下注射针）取下。
  2. 将样品浸入金湿法刻蚀液中 1 分钟。
  3. 用去离子水冲洗样品，去除残留的金刻蚀液。
  4. 通过显微镜在 200X 放大倍数下检查结果。若需去除的金层仍有残留，以 10 秒为间隔重复湿法刻蚀过程。过长的刻蚀时间会导致叉指电极（IDE）变薄。
  5. 将样品浸入铬刻蚀液中 30 秒。
  6. 用去离子水冲洗样品，去除残留的铬刻蚀液。

6. 去除残留光刻胶和钝化层

  1. 将样品（带金属图案的皮下注射针）浸入丙酮溶液中 1 分钟。
  2. 用去离子水冲洗样品，并在 105 °C 的加热板上脱水 10 分钟。
  3. 为对连接线路进行电学钝化，裁剪热缩管，使其比电极（20 mm，最大穿刺深度）长 2 - 3 mm，如图 2所示，因为热缩管（HST）收缩后长度会缩短。
  4. 将热缩管（HST）尽可能远离叉指电极（IDE）末端定位后，使用 150 °C 的热风枪加热 HST，以实现针体的紧密钝化。

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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...

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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...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作由以下机构资助： "生物医学集成技术研究" 通过韩国科学技术院（GIST）2017年提供的资助项目

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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WellerWHA600http://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/0208Fhttp://www.atechsystem.co.kr
载玻片Paul Marienfeld GmbH & Co. KG1000412
喷雾涂布机LITHOTEKLSC-200
光刻胶AZ电子材料GXR 601http://www.merck-performance-materials.com/zh/index.html
显影液（溶液）AZ 电子材料MIF 300http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html
矫治器MIDAS SYSTEM CO., Ltd.MDA-400Mhttp://www.midas-system.com
显微镜尼康公司L200http://www.nikonmetrology.com
金湿法刻蚀液TRANSENE 公司，股份有限公司金蚀刻剂类型 TFAhttp://transene.com
铬湿法刻蚀液KMG电子化学品公司CR-7http://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 600https://www.gamry.com
高度控制器Mitutoyo Corporation192-613
磷酸盐缓冲液Life Technologies Corporation10010023

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皮下针电极叉指电极电学阻抗谱热缩管光刻工艺组织鉴别手术切缘检测
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