用光刻胶喷涂和柔性掩制备医用注射用针尖上的微细电极
2017年11月28日
指电极的制作方法 (间隙和宽度:20 µm) 在皮下针 (直径: 720 µm) 是使用喷雾涂层和柔性膜掩在光刻过程中演示。
该协议的总体目标是在皮下注射针的尖端制造直径小于 1 毫米的精细叉指电极，用于生物医学应用。这种方法可以通过使用光刻胶喷涂和光刻工艺实现皮下注射针圆尖上的方言金属图案，并带有用于掩模的柔性薄膜。制造的微型二极管传感器可广泛用于生物医学应用，例如药物输送、活检，甚至通过对光度计进行靶向烧灼的高精度手术。
要开始此过程，请剪下 3 厘米长的热缩管，如果需要，请根据皮下注射针的穿透深度调整长度。将皮下注射针头插入切割的热缩管中。使用热风枪，将温度设置为 150 摄氏度并收缩试管。
在此之后，将皮下注射针头与其针座分开。在用超声波搅拌的去离子水浴中清洁针头。然后，使用设置为 105 度的热板使绝缘针脱水 10 分钟。
接下来，将双面胶带贴在干净的载玻片上。将干净的绝缘针并排布置在双面胶带的外露面上。使用溅射设备，按照文本协议中的说明将铬和金沉积到针上。
首先，使用双面胶带将其中一个镀金针固定在载玻片上。将喷涂机的卡盘加热到 100 摄氏度。将载玻片放在加热的卡盘上。
让针头加热 2 到 3 分钟。然后，将光刻胶喷洒到镀金针上，同时仍然使用此处显示的条件进行加热。之后，将载玻片放在卡盘上，在 100 摄氏度下加热 3 分钟以进行软烘烤。
使用放大倍率设置为 100 倍的显微镜检查针头以确定光刻胶是否均匀涂层。首先，慢慢提起可自由移动的样品固定板，直到它完全接触固定的光掩模固定板。使用气动泵固定样品固定板。
接下来，将涂有光刻胶的针头放在样品固定板上。使用 CCD 显示监视器将投影图像中的两条边界线与光掩模中的两条平行对齐线对齐，以实时监控过程。慢慢提起针头，使针头与固定的柔性光掩模接触。
将针头以每平方厘米 15 毫焦耳的强度暴露在紫外线下 30 秒。然后进行显影过程三分钟。之后，使用去离子水将显影液从样品中冲洗出来。
使用放大倍数为 200 倍的显微镜，确定光刻胶是否有清晰的图案。如果曝光的光刻胶没有完全去除，请每隔 30 秒重复显影过程。使用一把镊子将样品从载玻片上拆下。
浸入金湿蚀剂中 1 分钟。然后，使用去离子水冲洗蚀刻剂。使用放大倍数为 200 倍的显微镜检查结果。
如果仍有待去除的黄金，请每隔 10 秒重复蚀刻过程。接下来，将针头浸入铬蚀刻剂中 30 秒。完成后，使用去离子水冲洗蚀刻剂。
将蚀刻针浸入丙酮溶液中 1 分钟。之后，用去离子水冲洗。将样品转移到加热至 105 摄氏度的热板上脱水 10 分钟。
然后，切割收缩管，使其比电极长 2 到 3 毫米。使用热风枪将热缩管的温度升高到 150 度，以紧密钝化针头。在这项研究中，使用光刻胶喷涂涂层和柔性光掩模在皮下注射针的尖端制造叉指电极。
电极成功制造出直径为 820 微米，而针尖的制造余量小至 680 微米。光掩模的宽度和间隙分别为 25 微米和 15 微米，旨在解决因光掩模外部与针头曲面之间的不完美接触而引起的紫外线剂量不平衡。这些变化允许通过优化紫外线曝光时间，在 20 微米处成功制造电极的宽度和间隙。
使用不同浓度的 PBS 评估针头上电阻抗谱的鉴别能力。由于 PBS 是用去离子水连续稀释的，因此电导率会随着 PBS 浓度的降低而降低。因此，阻抗的大小随着 PBS 浓度水平的降低而增加。
基于这种鉴别能力，使用四层猪组织以 1 兆赫兹的频率进行深度剖析。根据 EoN 的穿透深度，阻抗和脂肪组织的大小与肌肉组织的大小明显不同。观看此视频后，您应该了解如何在圆形表面托盘上制造微电极以读取小于 1 毫米的直径。
目前，我们更好地发现针状传感器的临床适用性，用于脊髓麻醉、甲状腺活检，甚至腹腔镜手术和激情围裙切除术等手术。
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概述
本研究展示了一种在皮下针尖上制造精细互锁电极的方法，用于生物医学应用。该技术利用喷涂和光刻，并配合柔性光掩模来实现精确的图案化。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物医学工程
- 微制造
- 电化学传感
背景
- 精细电极的制造对于先进的生物医学应用至关重要。
- 该方法旨在解决电极图案化过程中的紫外剂量不平衡问题。
- 互锁电极在医疗治疗中的精确测量特别有用。
- 本研究侧重于电极开发中的可重复性和均一性。
研究目的
- 在直径小于一毫米的皮下针上制造互锁电极。
- 实现药物输送和手术等生物医学应用中的高精度。
- 评估制造的传感器的电阻抗。
所用方法
- 该协议围绕光刻和喷涂技术展开。
- 皮下针作为传感器附着的主要生物模型。
- 研究评估不同浓度PBS下的电阻抗。
- 关键步骤包括针的准备、紫外线暴露、显影过程和蚀刻程序。
- 在整个制造过程中强调关键温度控制和时间。
主要结果
- 电极成功制造，间隙和宽度为20微米。
- 电阻抗随着不同PBS浓度显著变化，允许进行有效的测量鉴别。
- 研究还展示了在猪组织中进行深度剖面的能力。
- 电极的成功图案化使各种临床应用中的精度得到提高。
结论
- 本研究突出了一种为生物医学应用制造微电极的新方法。
- 开发的方法展示了在脊髓麻醉和活组织检查等临床环境中的潜力。
- 它强调了在各种医疗目的下理解传感器技术的进步。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables precise microelectrode fabrication on hypodermic needles for biomedical sensing applications, supporting target tissue discrimination through electrical impedance measurements. The approach reduces invasiveness by positioning electrodes close to the needle tip, minimizing tissue penetration during diagnostic or therapeutic procedures. It enhances predictive confidence in early-stage biomedical device development by providing a reproducible platform for tissue characterization and margin detection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of tissue-specific electrical properties to validate biological targets based on impedance signatures.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of needle-integrated sensors for high-throughput tissue screening.
- Translational Value: Facilitates mechanistic de-risking by correlating electrical readouts with tissue composition in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, frequency-dependent impedance outputs for comparative analysis of biomaterial or drug interactions.
- Operational Value: Delivers reproducible electrode patterning with 20 µm feature resolution, ensuring assay standardization across batches.
- Translational Value: Enables label-free, real-time monitoring of tissue responses during compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates depth profiling capability in multilayered tissues, supporting discrimination between normal and pathological states.
- Operational Value: Utilizes durable PET heat shrink tubing for insulation, enhancing sensor stability in physiological environments.
- Translational Value: Supports surgical margin detection by identifying tissue boundaries via impedance shifts, reducing unnecessary resection.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling tissue characterization prior to lead identification, with outputs informing go/no-go decisions based on biological specificity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing through electrical discrimination of tissue types, aiding in target validation and pathway analysis.
- Screening: Provides assay-ready microelectrodes with consistent geometry for reliable compound-tissue interaction measurements.
- Analytics: Yields impedance magnitude and frequency response data that enable quantitative comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by demonstrating tissue depth profiling in porcine models, aligning with histopathological assessment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable microfabrication platform adaptable to various needle gauges and biomedical sensing applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves target validation confidence by reducing false positives through direct tissue property measurement.
- Operational Value: Ensures reproducibility via photoresist spray coating and flexible photomask, minimizing variability in electrode fabrication.
- Strategic Value: Reduces late-stage attrition by enabling early detection of tissue-specific responses, improving capital efficiency in device development.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted advancement decisions by providing objective, quantitative tissue discrimination data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, photolithography, and electrochemical sensing for successful execution.
- Depends on access to sputter coaters, UV exposure systems, and etching equipment for metal deposition and patterning.
- Necessitates standardization of UV exposure and development timing to compensate for curvature-induced dose variations on needle tips.
- Involves adaptation considerations when transferring the method to different needle materials or diameters.
- Involves practical limitations related to the stability of the electrode-tissue interface under physiological conditions over extended use.
