Name: Herstellung und Charakterisierung eines Conformal-Haut-like Electronic System for Quantitative, kutane Wundmanagement (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-09-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 50 s
Description: Lernen Sie die Herstellung einer hautähnlichen Elektronik für quantitative Wundüberwachung. Diese Methode ermöglicht Echtzeitmessung von Temperatur und thermischer Leitfähigkeit am Wundgewebe.

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Diese Arbeit wurde von der Startup-Finanzierung von der School of Engineering, Virginia Commonwealth University und einige elektronische Geräte wurden in den Mikrofabrikationsanlagen in der Wright Virginia Microelectronics Center vorbereitet unterstützt. Wir erkennen die Forscher, die Beiträge für das Gerät und klinischen Daten (3 und 5 in diesem Papier), aus der veröffentlichten Artikels 10 erworben werden. W.-HY dank Yoshiaki Hattori für die maßgeschneiderte, Daten-Recording-Software.

Die Experimente zur Bauelementherstellung, Haut Laminierung und Charakterisierung in den 1, 2 gezeigt, und 4 beteiligten zwei Freiwillige, alle in der Bio-Schnittstelle Nanoengineering Laboratory an der Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, VA, USA durchgeführt. Diese Studie wurde von der VCU Institutional Review Board genehmigt (Protokollnummer: HM20001454) und folgte den Forschungs Richtlinien der Human Research VCU. (: STU69718 Nummer) vom Institutional Review Board, der Northwestern University, Chicago, IL, USA stimmten die in den 3 und 5 gezeigten Vorrichtung und klinische Daten wurden aus der veröffentlichten Artikel 10, wo die Experimente an Patienten wurden im Rahmen des Protokolls durchgeführt erworben. 1. Herstellung der Vorrichtung HINWEIS: Abbildung 2 zeigt schematische Darstellungen für die gesamte Herstellungsprozess. <ol><li> Bereiten Sie ein Trägersubstrat<ol><li> Geschnitten einem nackten 3 in Silicium (Si) -Wafer in die gewünschte Größe der Elektronik unter Verwendung eines Diamantklinge. HINWEIS: Über die Hälfte Si-Wafer ergibt eine ideale Größe für den Wund Gerät. </li><li> Entfetten Si-Wafer mit Aceton und Isopropylalkohol (IPA). Mit deionisiertem (DI) Wasser spülen den Wafer und dann mit Stickstoff trocken und dehydriert auf einer Heizplatte bei 110 ° C für 3 min. </li><li> Vorbereitung 11 g Polydimethylsiloxan (PDMS) in Mischung mit 10: 1 Volumenverhältnis von Base und Härter und entgast die Mischung in einer Vakuumkammer für eine Stunde. HINWEIS: PDMS ist für einen trockenen Muster Retrieval verwendet und Transferdruck nach der Mikrofabrikation, die besser als die nasschemische (Aceton) -basierten Ansatz aus der früheren Studie 7. </li><li> Schleuderbeschichtungs 5 ​​g Misch PDMS-Lösung auf den Wafer bei 3000 UpM 1 min und komplett auf einer Heizplatte härten bei 150ºC für 30 min. </li></ol></li><li> Kaution Materialien und Muster Elektronik <ol><li> Behandeln Sie die PDMS-coated Wafer mit ultraviolettem (UV) / Ozon unter Verwendung einer UV-Lampe (8,9 mW / cm 2) für 3 Minuten, um die Oberfläche hydrophil zu machen. HINWEIS: Die hydrophile Oberfläche bietet eine gleichmäßige Beschichtung von zusätzlichen Schichten auf den PDMS. </li><li> Schleuderbeschichtung Polyimid (PI; 2 ml) zu den PDMS beschichteten Wafer durch Pipettieren, bei 4000 UpM für 1 Minute, um eine 1,2 um dicke Schicht, Vorbackvorgang auf einer Heizplatte bei 150 ° C für 5 min zu bilden und post- Backen bei 250 ° C für 2 Std. </li><li> Ablagerung Chrom (Cr), um eine 20 nm dicke Schicht zu bilden und abzulagern, dann Kupfer (Cu), um eine 3 um dicke Schicht unter Verwendung Elektronenstrahl (E-Strahl) Verdampfen bilden (Basisdruck: ~ 1 × 10 -7 Torr , Ablagerungsdruck: ~ 1 × 10 -6 Torr Abscheidungsrate: 1 - 5 A / S). Überwachen Sie die Filmdicke durch die Ablagerung Controller-Schnittstelle im Verdampfer eingebettet. HINWEIS: Die dicke Schicht aus Cu liefert genug Niveaus der elektrischen Leitfähigkeit auf der Mikrowiderstände der Vorrichtung und dünnen Cr-Schichtwird verwendet, um die Haftung zwischen PI und Cu zu fördern. </li><li> Schleuderbeschichtung ein Photoresist (2 ml) mit drei Stufen bei 900 rpm für 10 sec, 1.100 rpm für 60 sec, und 4000 rpm für 20 Sekunden und dann heilen auf einer Heizplatte bei 75 ° C für 30 min. HINWEIS: Die vorstehend beschriebenen aufeinanderfolgenden Schritte wurden verwendet, um eine dicke (&gt; 10 um) Photolack abzuscheiden. </li><li> Ausrichten Cu elektronischen Muster (Sensoren; Fraktal &quot;Peano&quot; Entwurf mit 35 &amp; mgr; m in der Breite und Zwischenverbindungen; Serpentinen offenmaschigen Design mit 50 &amp; mgr; m in der Breite) in der Mitte des Si-Wafers unter Verwendung eines UV-Ausrichters (Energie: 10 mW / sec) mit Belichtungszeit 25 s. HINWEIS: Die fraktale Strukturen werden verwendet, um überlegene mechanische Dehnbarkeit bereitzustellen, im Vergleich zu lediglich 14 mäandernden Funktionen. </li><li> Entwickeln des Photolacks in einer verdünnten Basisentwickler (1: 2-Verhältnis von Entwickler und DI-Wasser) für eine Minute, Spülen mit DI-Wasser, und mit Stickstoff trocken. Untersuchen Sie die Muster (Cu Fraktale und Verbindungen) mit Hilfe eines MikroRahmen, um die Funktion Größe zu bestätigen und finden Mängel von Partikeln. HINWEIS: Wenn es irgendwelche unerwünschten Defekten, dann entfernen Photoresist durch Spülen mit Aceton / IPA / DI-Wasser. Nach dem Trocknen mit Stickstoff, wiederholen Sie die Schritte 1.2.4 bis 1.2.6. </li><li> Ätzen der Cu-Schicht auf dem Si-Wafer in einem naßchemischen Ätzmittel für ~ 6 Minuten eingetaucht (10 ml; Gemisch aus Ammoniumpersulfat und Wasser im Verhältnis 1: 4; Ätzrate von 8 nm / s in 40 ° C), Spülen mit DI-Wasser, und mit Stickstoff trocken. Untersuchen Sie die Muster mit Hilfe eines Mikroskops für überätzt Mustern. HINWEIS: Wenn die Muster überätzt, kann es unerwünschte scharfe Kanten der Merkmale, die bei der Gerätebehandlung und Waschprozess in mechanische Bruch führen könnte verursachen. Die Testergebnisse zeigten, dass vor mehr als ~ 20% Überätzung der Originalmuster verursacht die oben genannten Fragen. </li><li> Ätzen der Cr-Schicht mit reaktiven Ionenätzen (RIE; Druck: 300 mTorr, Leistung: 200 W, CF 4 -Gas: 5 sccm, O 2 -Gas 10 sccm) für 5 min. Untersuchen Sie die Muster. HINWEIS: Ätzen der Cr-Schicht ist das RIE-Verfahren vorzuziehen, chemisches Ätzen ungünstige Reaktion mit dem Cu-Schicht bewirkt benetzen. </li><li> Entfernen der Photoresist blieben auf den Metallschichten durch Eintauchen der Wafer in Aceton (10 ml), IPA (10 ml) und DI-Wasser (20 ml) dargestellt. Dann trocknen Sie es mit Stickstoff. </li><li> Schleuderbeschichtung PI (2 ml) auf der Metall abgeschieden Wafer durch Pipettieren, bei 4000 UpM für 1 Minute, um eine 1,2 um dicke Schicht, Vorbackvorgang auf einer Heizplatte bei 150 ° C für 5 min zu bilden und Nachhärten bei 250 ° C für 2 Std. </li><li> Schleuderbeschichtung ein Photoresist (2 ml) mit drei Stufen bei 900 rpm für 10 sec, 1.100 rpm für 60 sec, und 4000 rpm für 20 Sekunden und dann heilen auf einer Heizplatte bei 75 ° C für 30 min. </li><li> Richten PI-Muster, um die Cu-Elektronik verkapseln (Sensoren, fraktale &#39;Peano&#39; Design mit 35 &amp; mgr; m in der Breite und Interconnects, Serpentin offener Mesh-Design mit 250um in der Breite) mit den vordefinierten Cu Fraktale und Leiterbahnen unter Verwendung eines UV-Ausrichters (Energie: 10 mW / sec) mit Belichtungszeit 25 sec. </li><li> Entwickeln des Photolacks mit einer verdünnten Entwickler (1: 2-Verhältnis von Entwickler und DI-Wasser) für eine Minute, Spülen mit DI-Wasser, und mit Stickstoff trocken. Untersuchen Sie die Muster mit Hilfe eines Mikroskops, um die Funktion Größe zu bestätigen und finden Mängel von Partikeln. HINWEIS: Wenn es irgendwelche unerwünschten Defekten, dann entfernen Photoresist durch Spülen mit Aceton / IPA / DI-Wasser. Nach dem Trocknen mit Stickstoff, wiederholen Sie die Schritte vom 1.2.10 bis 1.2.13. </li><li> Ätzen der PI-Schicht mit RIE (Druck: 170 mTorr, Leistung: 150 W, O 2 -Gas 20 sccm) für 25 min. Untersuchen Sie die Muster. </li><li> Entfernen der Photoresist blieb durch Eintauchen der Wafer in Aceton (10 ml), IPA (10 ml) und DI-Wasser (20 ml) dargestellt. Dann trocknen Sie es mit Stickstoff. </li></ol></li><li> Bereiten Sie eine Elastomer-Membran <ol><li> Vorbereitung einer 10 g Einkapseln Silikonmischung (1:1 Volumenverhältnis von Basis und Härter) und fügen Sie eine schwarze Tinte 15 mit 1-1 Volumen-Verhältnis, was zu Kontrollmessungen der Temperaturänderung auf der Haut mit einer Infrarotkamera zu erleichtern. HINWEIS: Das verwendete Silikon (clear einkapselnden Kautschuk) bietet einzigartigen Eigenschaften von niedriger Viskosität, optische Klarheit und eine elektrische Isolierung / Schutz für das Gerät 16. </li><li> Schleuderbeschichtung 8 g der Mischung in einer Petrischale bei 150 UpM für 1 Minute, um eine 500 um dicke Elastomermembran und Heilung bei RT O bilden / N. HINWEIS: Das Material muss auf einer ebenen Fläche für die einheitliche Dicke gebracht werden. </li><li> Schneiden Sie die Membran in die gewünschte Größe von 70 mm x 30 mm unter Verwendung einer scharfen Rasierklinge und vorsichtig nehmen Sie ihn aus der Petrischale. </li></ol></li><li> Abrufen und übertragen Elektronik <ol><li> Schneiden Sie ein wasserlösliches Band (25 mm x 80 mm) und vorsichtig laminieren auf die fabrizierten elektronische Muster und legen Sie sie auf einer Heizplatte bei 130 ° Cfür 3 min. HINWEIS: Temperaturerhöhung expandiert die PDMS-Schicht auf dem Si-Wafer, um die Dissoziation der elektronischen Muster von der Oberfläche zu helfen. </li><li> Nehmen Sie das Band schnell von der PDMS / Si-Wafer, um die elektronischen Muster abzurufen. </li><li> Abscheiden einer 20 nm dicken Cr (Adhäsion), gefolgt von einer 50 nm dicken Siliziumdioxid (SiO 2) auf gefundenen Muster durch Elektronenstrahlverdampfung. </li><li> Behandlung von UV / Ozon unter Verwendung von UV-Lampe (365 nm, 8,9 mW / cm 2) auf dem Zielsilikonmembran für 2 min, um die Oberfläche zu aktivieren. </li><li> Übertragung der Muster, um die Silikonmembran, indem die abgerufenen Muster auf dem Band an den gewünschten Ort und gleichmäßig Zugabe Druck Oberseite der Muster auf das Substrat. Bewerben Wasser, um das Band für 5 Minuten zu lösen. ANMERKUNG: Das beschriebene Verfahren der Materialübertragung durch kovalente Bindung (Si-O-Si) ermöglicht zwischen der abgeschiedenen Siliziumdioxid und UV-aktivierten Silikonsubstrat 17 </sup&gt;. </li><li> Ziehen Sie das Band, Spülen mit DI-Wasser, und trocknen auf einer Heizplatte bei 90 ° C für 1 min. </li></ol></li><li> Kapseln Sie das Gerät unter Verwendung einer Silikonmembran <ol><li> Bereiten Sie eine 10 g Verkapselung Silikon-Gemisch (1: 1 Volumenverhältnis von Basis und Härter). </li><li> Abdeckung der Kabelkontaktfelder mit einem rechteckigen PDMS Stück (22 × 6 × 1 mm 3), die durch van der Waals-Bindung mit dem unteren Silikonmembran, Silikon vermeiden Beschichten der Pads. </li><li> Schleuderbeschichtung der 5 g Silikonmischung bei 4.000 min-1 min, um eine 5 um dicke Schicht auf den übertragenen Elektronik bilden, und dann härten bei Raumtemperatur für O / N. </li></ol></li><li> Schließen Sie eine flexible Flachbandkabel für die Datenerfassung <ol><li> Flüssiges Stahlflusses (0,5 ml) mit einer Pipette auf den Anschlusspads für 3 sec zu reinigende Oberfläche zu machen. </li><li> Verbinden eine dünne, flexible Flachbandkabel an den Kontaktstellen mit Druck bei hoher Temperatur (&gt; 60 ° C). Eine typische Haar straightener bietet einfache Handhabung und Bindung. HINWEIS: Der Mikrofilmkabel ist bevorzugt, die herkömmlichen Hartdrahtlöten jeglicher mechanischer Bruch der transferierten Metallmembranen auf Silikon vermeiden. </li><li> Überprüfen Sie die elektrische Verbindung mit einem Digital-Multimeter. (: ~ 1 cm voneinander entfernt) wird der Widerstandswert zwischen dem Sensorblock mit einem Ende und dem anderen Ende der Filmkabel erwartet weniger als 1 Ohm. </li><li> Verbinden Sie das andere Ende des Flachbandkabels, um eine kundenspezifische Leiterplatte mit in Schritt 1.6.2 beschrieben die gleiche Strategie. </li><li> Überprüfen Sie die elektrische Verbindung mit einem Digital-Multimeter. </li><li> Schließen Sie das Gerät mit der Datenerfassungshardware durch Löten herkömmlichen Leitungen auf der Leiterplatte. </li></ol></li></ol> 2. Klinische Prüfung <ol><li> Reinigen Sie das Gerät mit einer Desinfektionslösung <ol><li> Herzustellen 205 g einer verdünnten Desinfektionslösung (40: 1 Volumenverhältnis von Wasser und Lösung). </li><li> Sprühen Sie dasLösung (10 g) auf dem Gerät und legen Sie ihn für 10 Minuten. HINWEIS: Die verdünnte Desinfektionsreiniger können bei RT gelagert werden. </li><li> Spülen Sie mit Wasser dreimal und trocknen Sie es mit sauberem Gewebe. </li></ol></li><li> Richten Sie eine Reihe von Anlagen für Gerätetests <ol><li> Bereiten Sie und schließen Sie einen Lock-in-Verstärker mit einer Stromquelle, einem Multiplexer und die kundenspezifische Software auf einem Laptop-Computer zur Datenerfassung installiert. </li><li> Platzieren Sie eine Infrarot-Kamera auf einem Stativ und konzentrieren sich auf ein Zielobjekt für die Thermographie als Referenz. </li><li> Richten Sie Systemparameter eines Lock-in-Verstärker, um die Wärmeleitfähigkeit zu messen (Frequenz: 1 und 3 Hz; Zeitkonstante: 3 und 1 sec; Empfindlichkeit: 1 mV; dynamische Reserve: hohe Rücklage) und Temperatur (Frequenz: 997 Hz, die Zeit Konstante: 300 ms; Empfindlichkeit: 2 mV; dynamische Reserve: Low Noise) mit der angelegten Konstantstrom (2 mA). </li><li> Schließen Sie zwei Wickelvorrichtungen, durch Mikro und Transferdruck vorbereitet und auf Wunde angebracht ist undkontralateralen Seiten, zu dem Multiplexer direkt vor der Aufzeichnung von Daten aus einem Patienten. </li></ol></li><li> Rekordtemperatur und Wärmeleitfähigkeit HINWEIS: Die Datenerfassungssoftware ist nach Maß, die den Lock-in-Verstärker für Echtzeit-Datenüberwachung und sparen Fernbedienung kann. Bei der Temperaturmessung, wird jeder Datenpunkt alle 300 ms für 20 sec gemessen. Die Menge der Daten für die ersten 10 Sekunden und nächsten 10 sec verwendet, um die Durchschnittstemperatur und Standardabweichung zu berechnen sind. Die aufgezeichneten Daten werden dann als komma-separierte Datei, die verwendet wird, um eine Grafik für den Vergleich mit Daten aus Infrarot-Thermografie Grundstückes gespeichert. Bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit sind die 3Ω Signale direkt von der Hardware-Bildschirm (Verstärker), die dann verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit analytisch berechnet wird gelesen. <ol><li> Reiben Sie die Geräteanwendung Stellen auf der Haut mit antiseptischer Alkoholtupfer 10. </li><li> 2.3.2) Laminat zwei Geräte an den gewünschten Hautstellen durch leichtes Eindrücken der Vorrichtung auf der Haut mit den Fingern, um das weiche Bindung zu erleichtern: eine auf der chirurgischen Wundstelle und die andere auf der Gegen Lage als Referenz. </li><li> Messen der elektrischen Spannung (3Ω), um die Wärmeleitfähigkeit bezogen, der Vorrichtung durch Beginn der Datenerfassung. </li><li> Auswertung der erhaltenen Daten, die einen konformen Kontakt der Vorrichtung an der Haut zu verifizieren; abnormalen Wert (&lt;0,1 W / mK) zeigt schlechten Kontakt des Gerätes. </li><li> Messen Sie den elektrischen Widerstand, um die Temperaturverteilung und die Aufzeichnungsdaten durch die kundenspezifische Software zu bestimmen. </li><li> Nehmen optischen und IR-Bilder von zwei Vorrichtungen auf der Haut. </li><li> Vergleichen Temperaturwerte von den IR-Bilder mit den von der Wunde Vorrichtung (2.3.5) aufgezeichneten Daten. Fügen Sie beide Werte auf Spalten in einer kundenspezifischen Tabellenkalkulation zu trennen. </li></ol></li><li> Analysieren Sie die aufgezeichneten Daten <ol><li> Exportieren Sie die aufgezeichneten Daten auf derangepasste Vorlage auf die Temperatur und thermische Leitfähigkeit berechnet automatisch von einer Anordnung von Sensoren in der Vorrichtung. </li><li> Zeichnen Sie die Daten (Temperatur und Wärmeleitung nach der Stelle des Sensors auf einer anderen Zeitskala) für den Vergleich im Verlauf von einem Monat (vier Sätze von Daten am Tag 1, 3, 15 und 30). </li><li> Analyse der Daten durch Vergleichen einer Serie von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit Daten nach der Zeit; Werte mit plötzlicher Höhen oder Tropfen sagen, der Wechsel der Wundheilungsphase und / oder unerwartete Anomalie auf Wundstellen. </li></ol></li></ol>

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

In diesem Artikel werden die Methoden und Protokolle zur Herstellung eines konformen, hautähnlichen Elektroniksystems vorgestellt, das eine konforme Laminierung in der Nähe des Wundgewebes ermöglicht und eine quantitative Messung der Hauttemperatur und ein Wärmeleitfähigkeitsmapping auf der Haut ermöglicht. 
Zu den Hauptmerkmalen gehören die Verwendung neuartiger Techniken des Materialtransferdrucks und der Integration von Hart-Weich-Materialien, um das flexible/dehnbare, weiche elektronische ...

In der klinischen Studie und der biomedizinischen Forschung, hat die Überwachung der Wundheilung auf ein invasives Verfahren, das auf der histologische Auswertung von Gewebe morphologischen Veränderung in Wunden 1,2 basierend fokussiert ist. Kürzlich, schnelle Fortschritte in der elektronischen Technologien ermöglichen die Entwicklung von hochgenauen Abbildung und Analyse-Tools, die eine Sichtprüfung kann die Wundheilung via Digital-Imaging-3,4 oder der konfokalen Scanmikroskopie und Spektroskopie 4,5. Jedoch brauchen Abbildungs ​​Ansätze erfordern hohe Kosten, komplizierte optische Werkzeuge und Operationen und vor allem müssen die Patienten während des Tests immobilisiert werden. Daher besteht ein Bedarf für neue Geräte und Systeme die quantitative, non-invasive, einfach zu bedienende, kostengünstige und multifunktionale genauere Wundversorgung anzubieten. Hier wird eine hautartige elektronisches System, das eine präzise Echtzeitzuordnung von Temperatur und Wärme condu bietet stellen wirctivity und liefert eine genaue Höhe der Heizung an Wundstellen über konforme Laminierung des Geräts nicht-invasiv. Diese Vorrichtung stellt eine Klasse von Technologien, haut montiert epidermalen elektronische Systeme, die ausgelegt sind, um mechanische und den Materialeigenschaften entsprechen (Gesamtdicke, Biegesteifigkeit wirksam Moduli und Massendichte) der Oberhaut 6-9. Das Gerät ist in einem biokompatiblen, hautfreundlichen, wasserdicht gestaltet, und wiederverwendbare Form, gewaschen und für klinische Anwendungen am Patienten 10 desinfiziert werden kann. Die konforme elektronische Gerät in der Nähe der Wundgewebe montiert fängt die Entzündungsphase (einer der Wundheilung), durch erhöhte Durchblutung und enzymatische Reaktionen auf die Wunde 11,12 verursacht, durch die quantitative Erfassung der Temperatur 8 und Wärmeleitfähigkeit 13, um Trink korreliert . Experimentelle und theoretische Studien zu bestimmen, eine optimale Mechanik-Design, um Unterkunftaß natürlichen Bewegungen und angewandte Stämme ohne mechanische Bruch und erfassen die zugrunde liegende Physik der Dehnung Mechanik der hautähnlichen Elektronik, die konform auf der Hautoberfläche, die Übernahme von High-Fidelity-Signale bietet Laminate. Die in diesem Artikel beschriebenen Protokolle stellen die Verfahren der Mikrofabrikation für hautartige elektronische Systeme, Testvorbereitung einschließlich Gerätereinigung Geräteanordnung in einer klinischen Umgebung und klinischen Anwendungen zur quantitativen Überwachung der Temperatur und der thermischen Leitfähigkeit auf Hautwunden.

<table><tbody><tr><td>3" Siliziumwafer</td><td>University Wafer, USA</td><td></td><td>Verwendung als Träger zur Herstellung des Geräts</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Fisher Scientific, USA</td><td>A18-1</td><td>Verwendung zum Reinigen eines Wafers und zum Entfernen von Fotolack</td></tr><tr><td>Isopropanol (IPA)</td><td>Fisher Scientific, USA</td><td>A459-1</td><td>Verwendung zum Reinigen eines Wafers</td></tr><tr><td>AZ4620 Fotolack</td><td>AZ Electrionic Materials, USA</td><td></td><td>Verwendung zum Herstellen von Strukturen auf Metallen und Polymere</td></tr><tr><td>AZ400K Entwickler</td><td>AZ Electrionic Materials, USA</td><td></td><td>Verwendung zur Entwicklung von AZ4620 Fotolack</td></tr><tr><td>Chrom Ätzmittel</td><td>, USA</td><td>1020AC</td><td>Verwendung zum Ätzen der Cr-Schicht des Geräts</td></tr><tr><td>Kupfer Ätzmittel</td><td>, USA</td><td>ASP-100</td><td>Verwendung zum Ätzen der Cu-Schicht des Geräts</td></tr><tr><td>Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS)</td><td>Dow Corning, USA</td><td>39100000</td><td>Verwendung als Substrat für die "trockene" Entnahme</td></tr><tr><td>PI2545 Polyimid</td><td>HD MicroSystem, USA</td><td></td><td>Verwendung zur Verkapselung der Metallschicht</td></tr><tr><td>Solaris</td><td>Smooth-On, USA</td><td></td><td>Verwendung als Substrat und zur Verkapselung des Geräts</td></tr><tr><td>Petridish</td><td>Carolina, USA</td><td>741255</td><td>Verwendung als Form zur Herstellung von Substrat</td></tr><tr><td>Wasserlösliches Wellenlötband 5414</td><td>3M, USA</td><td>AM000000217</td><td>Zur Wiederherstellung des Geräts aus der PDMS-Schicht</td></tr><tr><td>Hochaktives flüssiges Edelstahlflussmittel</td><td>Worthington, USA</td><td>331929</td><td>Zur Entfernung der Oxidationsschicht auf Cu</td></tr><tr><td>Flexibles Mikrofilmkabel</td><td>Elform, USA</td><td></td><td>Zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem elektronischen Gerät und dem Datenerfassungssystem</td></tr><tr><td>pH Neutral Cleaner</td><td>Australian Gold, USA</td><td></td><td>Verwendung als Desinfektionslösung zur Reinigung des Geräts in klinischen Tests</td></tr><tr><td>Solder</td><td>Kester, USA</td><td>24-6337-9703</td><td>Verwendung als Material zum Löten von harten Drähten</td></tr><tr><td>UV-Lampe</td><td>Cole-Parmer, USA</td><td>97600-00</td><td>Verwendung zur Aktivierung der PDMS-Schicht als hydrophile Oberfläche</td></tr><tr><td>Multiplexer</td><td>FixYourBoard, USA</td><td>U802</td><td>Verwendung zur Erfassung von Messungen von sechs Sensorkomponenten&nbsp;</td></tr><tr><td>DC/AC-Stromquelle</td><td>Keithley, USA</td><td>6221</td><td>Zur Stromversorgung</td></tr><tr><td>von SMD Digital Hot Air Rework Station</td><td>Aoyue, China</td><td>968A+</td><td>Zum Löten von harten Drähten, zur elektrischen Verbindung zwischen dem Gerät und externen Instrumenten</td></tr><tr><td>Infrarotkamera</td><td>FLIR, USA</td><td>435-0001-01-00</td><td>Zur Aufnahme von Infrarotbildern im Experiment</td></tr><tr><td>Digitalmultimeter</td><td>Fluke, USA</td><td>117</td><td>Zur Überprüfung der elektrischen Verbindung</td></tr><tr><td>Lock-in-Verstärker</td><td>Stanford Research System, USA</td><td>SR830</td><td>Zur Durchführung von Vierpunkt-Sondenmessungen</td></tr><tr><td>Elektronenstrahlverdampfer</td><td>Skala 9 Vakuumprodukte, USA</td><td></td><td>Zur Abscheidung dünner Schichten (Cu und SiO2)</td></tr></tbody></table>

herstellung und charakterisierung eines conformal-haut-like electronic system for quantitative, kutane wundmanagement

Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

Jüngste Fortschritte in der Entwicklung elektronischer Technologien und biomedizinischer Geräte bieten Möglichkeiten zur nicht-invasiven, quantitativen Beurteilung der kutanen Wundheilung auf der Haut. Bestehende Methoden beruhen jedoch immer noch auf visuellen Inspektionen mit verschiedenen mikroskopischen Werkzeugen und Geräten, die in der Regel kostspielige, hochentwickelte Systeme umfassen und gut ausgebildetes Personal für den Betrieb und die Datenanalyse erfordern. Hier beschreiben wir Methoden und Protokolle zur Herstellung eines konformen, hautähnlichen Elektroniksystems, das eine konforme Laminierung auf der Hautoberfläche in der Nähe des Wundgewebes ermöglicht und die Aufzeichnung von elektrischen Signalen wie Hauttemperatur und Wärmeleitfähigkeit mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Die Verfahren zur Herstellung des Geräts enthalten Einzelheiten zur schrittweisen Vorbereitung des mikroelektronischen Systems, das vollständig mit elastomeren Silikonmaterialien umschlossen ist, um eine elektrische Isolierung zu gewährleisten. Die experimentelle Studie zeigt multifunktionale, biokompatible, wasserdichte, wiederverwendbare und flexible/dehnbare Eigenschaften des Geräts für klinische Anwendungen. Protokolle klinischer Tests bieten einen Überblick und einen sequenziellen Prozess der Reinigung, des Testaufbaus, des Systembetriebs und der Datenerfassung mit der hautähnlichen Elektronik, die sanft auf überempfindlichen, kutanen Wunden und kontralateralen Geweben von Patienten angebracht wird.

Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Eigenschaften der konformen, hautartigen elektronischen Systems für die quantitative, kutaner Wundbehandlung an Patienten ausgelegt. Das multifunktionale elektronische Gerät besteht aus Mikro fraktale Strukturen 3,14 und fadenförmigen Serpentinenspuren 9,17 auf einer dünnen Elastomermembran, die außergewöhnliche mechanische Dehnbarkeit und Biegefähigkeit bietet. Die kompatiblen Gerät, das vollständig von Silikonschichten eingeschlossen ist ...

Dieser Artikel stellt Methoden zur Herstellung und Charakterisierung eines konformen, hautähnlichen elektronischen Systems und Protokolle für den Einsatz in klinischen Anwendungen, insbesondere bei der kutanen Wundversorgung, vor.

Herstellung und Charakterisierung eines Conformal-Haut-like Electronic System for Quantitative, kutane Wundmanagement

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of ...

Das allgemeine Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein hautähnliches elektronisches Gerät zur quantitativen, kutanen Wundbehandlung herzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein elektronisches Gerät auf einem Trägersubstrat entwickelt wird. Der zweite Schritt besteht darin, eine elastomere Membran vorzubereiten, um die Elektronik einzubetten.Anschließend werden die hergestellten Elektronikbauteile aus ihrer Herstellungsmasse entnommen und auf die Membran übertragen. Die letzten Schritte bestehen darin, die Elektronik mit einer Silikonbeschichtung zu umschließen und ein flexibles Kabel zur Datenerfassung anzuschließen. Das fertige Gerät wird in der Nähe des Wundgewebes eines Patienten laminiert, um Zeit, sich verändernde Temperatur und die thermische Leitfähigkeit des Gewebes im Rahmen des Wundmanagements zu überwachen.Der Hauptvorteil dieses Geräts gegenüber bestehenden Werkzeugen, die auf mikroskopischen visuellen Inspektionen basieren, liegt darin, dass es eine multifunktionale, quantitative Überwachung von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit in der Nähe des Wundgewebes ermöglicht. Das weiche, biokompatible und auf der Haut tragbare Gerät bietet Funktionen und Eigenschaften, die für den Einsatz in klinischen Umgebungen geeignet sind, und hat ein großes Potenzial, wichtige Aspekte im Management chronischer Wunden zu adressieren. Dieses Spin-Beschichtungsprotokoll kann auf Siliziumwafern beliebiger Größe durchgeführt werden.Entfetten Sie die Wafer zunächst mit Aceton und Isopropanol. Spülen Sie sie anschließend mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie unter Stickstoff. Dehydrieren Sie den Wafer drei Minuten lang auf einer Heizplatte, die auf 110 Grad Celsius eingestellt ist.Beschichten Sie nun die Wafer mit fünf Gramm PDMS durch Spin-Beschichtung bei 3000 U/min für eine Minute. Schließen Sie den Prozess ab, indem Sie die Wafer auf einer heißen Platte bei 150 Grad Celsius für eine halbe Stunde aushärten lassen. Nach der UV-Behandlung der mit PDMS beschichteten Wafer für drei Minuten erfolgt die Spin-Beschichtung mit Polyamid. Geben Sie zwei Milliliter mit einer Pipette auf und zentrifugieren Sie bei 4.000 U/min für eine Minute, um eine 1,2-Mikrometer-Schicht zu erhalten.Anschießend die Wafer auf einer Heizplatte bei 150 Grad Celsius fünf Minuten vorbaken und sie dann zwei Stunden lang bei 250 Grad Celsius im Ofen aushärten. Danach mittels Elektronenstrahlaufdampfung eine 20 Nanometer dicke Chromschicht zur Haftvermittlung aufbringen, gefolgt von einer drei Mikrometer dicken Kupferschicht für die elektrische Leitfähigkeit. Im nächsten Schritt zwei Milliliter Fotolack in drei Stufen auf die Wafer spincoaten, um eine unter 10 Mikrometer dicke Schicht zu erhalten.Heizen Sie die Wafer nun 30 Minuten lang auf einer 75 °C heißen Heizplatte aus. Verwenden Sie danach einen UV-Aligner mit 10 mW/s, um das kupferne elektronische Muster mittig zum Wafer auszurichten. Wählen Sie eine Belichtungszeit von 25 Sekunden.Ein fraktales Muster wird zur Herstellung von Sensoren verwendet, und ein offenes Netz wird für die Verbindungsleitungen angefertigt. Entwickeln Sie den Fotolack in einer 33 %igen Entwicklerlösung für eine Minute. Spülen Sie die Chips anschließend mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie unter einem Stickstoffstrom.Überprüfen Sie vor dem Fortfahren die Muster unter dem Mikroskop auf Defekte. Ätzen Sie danach das Kupfer auf dem Wafer mit einem sechsminütigen Bad in chemischem Ätzmittel. Spülen und trocknen Sie die Wafer nach dem Ätzen. Wie zuvor sollte das geätzte Muster unter dem Mikroskop überprüft werden, da eine Überätzung von mehr als 20 % zu mechanischen Ausfällen der Kupferleiterbahnen führt. Zum Ätzen der Chromschicht verwenden Sie fünf Minuten reaktives Ionenätzen. Nach der Überprüfung des Ätzvorgangs entfernen Sie den verbleibenden Fotolack mit 10 Milliliter Aceton, gefolgt von 10 Milliliter Isopropanol.Und drittens 20 Milliliter deionisiertes Wasser. Anschließend die Wafer unter einem Stickstoffstrom trocknen. Für dieses Protokoll 10 Gramm einer umhüllenden Silikonmischung für das Zielmaterial herstellen, auf das die Elektronik übertragen wird, in einer 10 Zentimeter breiten Petrischale.Zentrifugieren Sie acht Gramm der Mischung bei 150 U/min eine Minute lang. Für eine halbmilimeterdicke Silikonbeschichtung. Lassen Sie diese über Nacht bei Raumtemperatur aushärten.Danach Stücke aus wasserlöslichem Klebeband in passender Größe auf die Mustermasken aufbringen, um eine Laminatoberfläche für die elektronischen Muster zu schaffen. Nach dem Aufbringen des Klebebands die Wafer drei Minuten lang bei 130 Grad Celsius erhitzen. Anschließend das Klebeband schnell abziehen, um die Elektronik zu lösen und auf den Abziehmustern zu gewinnen.Verwenden Sie die Elektronenstrahlverdampfung, um 20 Nanometer Chrom für eine verbesserte Haftung abzuscheiden. Danach scheiden Sie 50 Nanometer Siliziumdioxid auf der Chromschicht ab. Entnehmen Sie nun die Silikonschicht und behandeln Sie sie zwei Minuten lang mit 365 Nanometer UV-Licht bei 8,9 Milliwatt pro Quadratzentimeter.Dadurch wird die Oberfläche mit dem aktivierten Silikon aktiviert. Drücken Sie die abgerufenen Elektronikbauteile in das Silikon und verteilen Sie sie gleichmäßig auf dem Zielmaterial. Behandeln Sie anschließend das Band mit Wasser, um es aufzulösen, und ziehen Sie das Band nach fünf Minuten ab.Anschließend das Silikon mit entionisiertem Wasser abspülen und eine Minute lang auf einer 90 Grad Celsius heißen Heizplatte trocknen. Um das Gerät herzustellen, beginnen Sie damit, die Kontaktflächen mit einem rechteckigen Stück PDMS mittels van-der-Waals-Bindungskraft abzudecken. Danach zur Übertragungselektronik: fünf Gramm der verkapselten Silikonmischung eine Minute lang mit 4.000 U/min aufspinnen.Dadurch entsteht eine fünf Mikrometer dicke Schicht, die über Nacht bei Raumtemperatur ausgehärtet wird. Am nächsten Tag reinigen Sie die Sensorflächen mit einem halben Milliliter flüssigem Stahlflussmittel für drei Sekunden. Anschließend verbinden Sie ein flexibles Flachbandkabel unter Druck und Hitze von über 60 Grad Celsius mit den Kontaktstellen.Überprüfen Sie die Verbindungen mit einem Multimeter. Der Widerstand zwischen dem Sensorkontakt und dem Filmkabel, die einen Zentimeter voneinander entfernt sind, sollte weniger als ein Ohm betragen. Verbinden Sie das andere Ende des Flachbandkabels auf die gleiche Weise mit einer speziell angefertigten Leiterplatte. Schließen Sie abschließend das Gerät an die Datenerfassungshardware an, indem Sie herkömmliche Drähte an die Leiterplatte löten.Mithilfe des beschriebenen Protokolls wurde das elektronische Sensormodul hergestellt. Die Flexibilität des Geräts wurde überprüft. Mechanische Brüche unter Zugbelastung traten nicht auf, und das Gerät war funktionsfähig.Der Widerstand an sechs Sensorpositionen wurde mithilfe einer hochpräzisen Heizplatte gemessen. Es zeigte sich ein linearer Zusammenhang, der darauf hindeutet, dass die Sensoren gut kalibriert waren und in der Lage, subtile Temperaturänderungen zu erfassen. Darüber hinaus wurde ein angepasstes Drei-Omega-Signal verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit mit dem Gerät in einem klinischen Umfeld zu bewerten.Das Gerät wurde verwendet, um die Wundheilung nach einer Operation über einen Zeitraum von bis zu einem Monat zu überwachen. Dadurch wurde die Temperatur des Wundheilungsprozesses gemessen. Am dritten Tag zeigte sich eine starke Entzündung an der Wundstelle, was sich in dem vom Gerät gemessenen Temperaturanstieg widerspiegelt.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein konformes schemisches elektrisches Gerät zur quantitativen Wundbehandlung bei Patienten herstellt.

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Forschung

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Biotechnik

Ein Dual-Mode-Imaging-System wurde für die berührungslose Prüfung von Hautgewebe Oxygenierung und vaskuläre Funktion entwickelt.

Dual-Mode-Imaging von Hautgewebe Oxygenation und Gefäßfunktion

Das Ziel dieses Protokolls ist es, ein dreidimensionales Hautäquivalent in voller Dicke aufzubauen, das der natürlichen Haut ähnelt. Mit einer eigens konstruierten automatisierten Aufwickelvorrichtung können präzise und reproduzierbare Wunden unter Beibehaltung der Sterilität erzeugt werden.

Erzeugung eines dreidimensionalen Vollhaut Equivalent und automatisierte Verwundung

Hier stellen wir ein Protokoll vor, um ein dreidimensionales vereinfachtes und undifferenziertes Hautmodell unter Verwendung einer mikrobearbeiteten mikrofluidischen Plattform zu generieren. Ein paralleler Strömungsansatz ermöglicht die In-situ-Ablagerung eines Hautkompartiments für die Aussaat von Epithelzellen auf der Oberseite, die alle von Spritzenpumpen gesteuert werden.

Generierung eines vereinfachten dreidimensionalen Skin-on-a-Chip-Modells in einer mikrobearbeiteten mikrofluidischen Plattform

Zwei neuere Technologien - Tätowierung und Textilien - haben vielversprechende Ergebnisse bei der Hautsensorik gezeigt. Hier stellen wir die Herstellungs- und Bewertungsmethoden von Tattoo- und Textilelektroden für die kutane elektrophysiologische Sensorik vor. Diese elektronischen Schnittstellen aus leitfähigen Polymeren übertreffen die bestehenden Standards in Bezug auf Komfort und Empfindlichkeit.

Anpassungsfähige tragbare Elektroden: Von der Herstellung bis zur elektrophysiologischen Bewertung

Wunden stellen eine globale gesundheitliche Herausforderung dar. In dieser Studie wurde eine standardisierte Fotokabine mit digitaler Planimetrie entwickelt, um die Variabilität der Wundmessung zu minimieren. Die Überwachung der Wunden bei Mäusen über einen Zeitraum von 14 Tagen zeigte eine anfängliche Zunahme der Wundfläche und des Wundumfangs, gefolgt von einem allmählichen Verschluss. Diese Methodik kann bei der Bewertung der Wundverschlusskinetik in präklinischen Modellen hilfreich sein.

Digitale Planimetrie zur Beurteilung der Wundverschlusskinetik in einem Mausmodell

In dieser Studie wird ein Tischmodell vorgestellt, das entwickelt wurde, um die Kompatibilität von Wundauflagenmaterialien mit Unterdruck-Wundtherapiesystemen zu bewerten, indem der Druck und die Flüssigkeitsansammlung über 72 Stunden unter kontinuierlichen und intermittierenden Druckeinstellungen bewertet werden.

Entwicklung eines Benchtop-Modells zur Bewertung der Verträglichkeit von Wundverbandsmaterialien mit Unterdruck-Wundtherapiesystemen

Ein 405-nm-Blaulicht-LED-Gerät zeigt eine antimikrobielle Wirksamkeit gegen eine Vielzahl von Wundkrankheitserregern, wenn es an einem kollagenbasierten synthetischen Hautmodell untersucht wird. Dieser vereinfachte In-vitro-Ansatz bietet eine reproduzierbare und ethisch praktikable Alternative für die Frühphasenbewertung lichtbasierter antimikrobieller Therapien.

Untersuchung eines Blaulicht-LED-Geräts zur Unterdrückung von Wundkrankheitserregern mittels eines kollagenbasierten synthetischen Hautmodells

Ein Rattenhaut-Wundmodell wird beschrieben, das die Bewertung verschiedener therapeutischer Wirkstoffe unter physiologischen oder pathologischen Bedingungen über die verschiedenen Heilungsphasen hinweg ermöglicht. Darüber hinaus wird ein Protokoll zur manuellen Planimetrie zur Überwachung der Wundkontraktionsrate während der gesamten Gewebereparatur detailliert beschrieben.

Ein chirurgisches Ratten-Hautwundmodell: Ein Ansatz für Wundheilungsstudien und Biomaterialbewertung

Zwei benachbarte Flüssigkeiten, die durch einen gerillten mikrofluidischen Kanal geleitet werden, können zu einem Mantel um einen Prepolymerkern geleitet werden; dabei sowohl Form als auch Querschnitt bestimmen. Die photoinitiierte Polymerisation, wie die Thiol-Klick-Chemie, eignet sich gut für die schnelle Erstarrung der Kernflüssigkeit in eine Mikrofaser mit vorgegebener Größe und Form.

Mikrofluidische Herstellung von Polymer- und Biohybridfasern mit vorgefertigter Größe und Form

Wir zeigen, eine mikrofluidische Plattform mit einem Elektrodennetz integriert Oberfläche, die resistive Pulserfassungs kombiniert (RPS) mit Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA), Auffinden und Ausmessen von Partikeln in mehrere mikrofluidische Kanäle zu multiplexen.

Mikrofluidik-Plattform mit Multiplexed elektronische Sensoren für Raumverfolgung von Partikeln

Lernen Sie die Herstellung einer hautähnlichen Elektronik für quantitative Wundüberwachung. Diese Methode ermöglicht Echtzeitmessung von Temperatur und thermischer Leitfähigkeit am Wundgewebe.

Herstellung und Charakterisierung eines Conformal-Haut-like Electronic System for Quantitative, kutane Wundmanagement

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