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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ein hautähnliches elektronisches Gerät für die quantitative Behandlung von kutanen Wunden herzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein elektronisches Bauelement auf einem Trägersubstrat entwickelt wird. Der zweite Schritt besteht darin, eine Elastomermembran für die Einbettung der Elektronik vorzubereiten.

Als nächstes wird die gefertigte Elektronik aus ihrer Fertigungsmasse entnommen und auf die Membran übertragen. Die letzten Schritte bestehen darin, die Elektronik mit einer Silikonbeschichtung zu umschließen und ein flexibles Kabel für die Datenerfassung anzuschließen. Das fertige Gerät wird in der Nähe des Wundgewebes eines Patienten laminiert, um die Zeit, die variierende Temperatur und die Wärmeleitfähigkeit des Gewebes während des Wundmanagements zu überwachen.

Der Hauptvorteil dieses Geräts gegenüber bestehenden Werkzeugen, die auf mikroskopischen visuellen Inspektionen basieren, besteht darin, dass es eine multifunktionale quantitative Überwachung der Temperatur und Wärmeleitfähigkeit in der Nähe des Wundgewebes ermöglichen kann. Das weiche biokompatible und hauttragbare Gerät bietet die Funktionen und Eigenschaften für den Einsatz im klinischen Umfeld und hat ein großes Potenzial, wichtige Fragen des chronischen Wundmanagements zu lösen. Dieses Spin-Coating-Protokoll kann auf Siliziumwafern jeder Größe durchgeführt werden.

Um zu beginnen, entfetten Sie die Wafer mit Aceton und Isopropylalkohol. Spülen Sie sie dann in entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie unter Stickstoff. Dörren Sie den Wafer drei Minuten lang auf einer heißen Platte, die auf 110 Grad Celsius eingestellt ist.

Schleudern Sie nun fünf Gramm PDMS bei 3000 U/min auf die Wafer und schließen Sie den Vorgang eine Minute lang ab, indem Sie die Wafer auf einer heißen Platte auf 150 Grad Celsius eine halbe Stunde lang aushärten. Nach einer dreiminütigen UV-Behandlung der PDMS-beschichteten Wafer wird Polyamid auf die Wafer geschleudert. Tragen Sie zwei Milliliter mit einer Pipette auf und drehen Sie sie eine Minute lang bei 4.000 U/min, um eine 1,2-Mikron-Schicht zu erhalten.

Dann backst du die Waffeln auf einer heißen Platte bei 150 Grad Celsius fünf Minuten vor und backst sie im Backofen bei 250 Grad Celsius für zwei Stunden. Als nächstes wird mit einer Elektronenstrahlverdampfungsabscheidung eine 20 Nanometer dicke Schicht aus Chrom für die Haftung verwendet, gefolgt von einer drei Mikrometer dicken Schicht aus Kupfer für die Leitfähigkeit. Anschließend werden zwei Milliliter Fotolack in drei Schritten auf die Wafer aufgebracht, um eine Schicht von unter 10 Mikrometern zu erhalten.

Nun härten die Wafer auf einer 75 Grad Celsius heißen Platte für 30 Minuten aus. Verwenden Sie als Nächstes einen UV-Aligner mit 10 Milliwatt pro Sekunde, um das elektronische Kupfermuster auf dem Wafer zu zentrieren. Verwenden Sie eine Belichtungszeit von 25 Sekunden.

Ein fraktales Muster wird verwendet, um Sensoren herzustellen, und ein offenes Netz wird für die Verbindungen hergestellt. Entwickeln Sie den Fotolack in einer 33%-Entwicklerlösung für eine Minute. Anschließend werden die Späne mit entionisiertem Wasser abgespült und unter einem Stickstoffstrahl getrocknet.

Bevor Sie fortfahren, überprüfen Sie die Muster unter einem Mikroskop auf Defekte. Als nächstes ätzen Sie das Kupfer mit einem sechsminütigen Bad in chemischem Ätzen auf den Wafer. Spülen und trocknen Sie die Wafer nach dem Ätzen.

Überprüfen Sie wie zuvor die geätzten Muster unter einem Mikroskop von mehr als 20 % Überätzen des Kupfers führt zu mechanischen Fehlern. Um die Chromschicht zu ätzen, verwenden Sie fünf Minuten reaktives Ionenätzen. Nachdem Sie die Ätzung überprüft haben, entfernen Sie die restlichen Fotolacke mit 10 Millilitern Aceton, gefolgt von 10 Millilitern Isopropanol.

Und drittens 20 Milliliter entionisiertes Wasser. Im Anschluss an die Bäder trocknen Sie die Wafer unter einem Stickstoffstrahl. Für dieses Protokoll stellen Sie 10 Gramm einer verkapselnden Silikonmischung für das Zielmaterial her, auf das die Elektronik auf eine 10 Zentimeter breite Petrischale übertragen wird.

Schleudermantel, acht Gramm Mix bei 150 U/min für eine Minute. Für eine halbe Millimeter Silikonbeschichtung. Lassen Sie es über Nacht bei Raumtemperatur aushärten.

Befestigen Sie als Nächstes großformatige Stücke wasserlösliches Klebeband auf den Musterchips, die als Laminatoberfläche für die elektronischen Muster dienen. Nach dem Anbringen des Tapes erhitzen Sie die Wafer drei Minuten lang bei 130 Grad Celsius. Ziehen Sie dann das Klebeband schnell ab, um die Elektronik zu lösen und auf die Rückholmuster zu bringen.

Verwenden Sie die E-Beam-Verdampfung, um 20 Nanometer Chrom für zusätzliche Haftung abzuscheiden. Anschließend scheiden 50 Nanometer Siliziumdioxid auf der Chromschicht ab. Holen Sie sich 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 aktiviertem Silikon aktiviert. Drücken Sie die herausgeholte Elektronik in das Silikon und verteilen Sie sie gleichmäßig auf dem Zielmaterial. Behandeln Sie dann das Klebeband mit Wasser, um es aufzulösen, und ziehen Sie das Klebeband nach fünf Minuten ab.

Spülen Sie dann das Silikon mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie es eine Minute lang auf einer 90 Grad heißen Platte. Um das Gerät herzustellen, beginnen Sie damit, die Kontaktpads mit einem rechteckigen Stück PDMS unter Verwendung der Bondkraft von Vander Wall abzudecken. Nun auf die Transferelektronik spinco fünf Gramm verkapselte Silikonmischung bei 4.000 U/min für eine Minute.

Dadurch entsteht eine fünf Mikrometer dicke Schicht, die über Nacht bei Raumtemperatur ausgehärtet wird. Reinigen Sie die Sensorpads am nächsten Tag drei Sekunden lang mit einem halben Milliliter flüssigem Stahlflussmittel. Kleben Sie dann ein flexibles Flachbandkabel mit einem Druck und einer Hitze von mehr als 60 Grad Celsius an die Kontaktstellen.

Überprüfen Sie die Anschlüsse mit einem Multimeter. Der Widerstand zwischen dem Sensorpad und dem Folienkabel in einem Abstand von einem Zentimeter sollte kleiner als ein Ohm sein. Verbinden Sie das andere Ende des Flachbandkabels auf die gleiche Weise mit einer kundenspezifischen Leiterplatte. Schließen Sie abschließend das Gerät an die Datenerfassungshardware an, indem Sie herkömmliche Drähte an die Leiterplatte löten.

Unter Verwendung des beschriebenen Protokolls wurde das elektronische Sensorgerät hergestellt. Untersucht wurde die Flexibilität des Gerätes. Ein mechanischer Bruch unter Zugbelastung trat nicht auf und das Gerät war funktionstüchtig.

Der Widerstand an sechs Sensorstellen wurde mit einer hochpräzisen Heizplatte gemessen. Es zeigte sich eine lineare Beziehung, die zeigte, dass die Sensoren gut kalibriert waren, um subtile Temperaturänderungen zu erkennen. Darüber hinaus wurde ein adaptiertes Drei-Omega-Signal verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit mit dem Gerät in einem klinischen Umfeld zu bewerten.

Das Gerät wurde verwendet, um die Wundheilung nach der Operation bis zu einem Monat lang zu überwachen. Die Temperatur des Wundheilungsprozesses wurde somit gemessen. Am dritten Tag kam es zu einer starken Entzündung an der Wundstelle, die sich in der vom Gerät gemessenen Temperaturspitze widerspiegelt.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein konformes schemisches elektrisches Gerät für das quantitative Wundmanagement an Patienten herstellt.