Herstellung von feinen Elektroden an der Spitze der Injektionsnadel mit Fotolack Spritzen und Flexible Fotomaske für biomedizinische Anwendungen
November 28th, 2017
Die Herstellungsverfahren für feine die Elektroden (Lücke und Breite: 20 µm) an der Spitze einer Injektionsnadel (Durchmesser: 720 µm) zeigt sich mit einem Spray Beschichtung und Weichfolie Fotomaske Photolithographie dabei.
Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, feine interdigitierte Elektroden an der Spitze einer Injektionsnadel mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter für biomedizinische Anwendungen herzustellen. Dieses Verfahren kann die Metallstrukturierung des Dialekts auf der abgerundeten Spitze der Injektionsnadel erreichen, indem eine Sprühbeschichtung von Fotolack und ein Fotolithographieverfahren mit einer flexiblen Folie für eine Maske verwendet werden. Der hergestellte Mikrodiodensensor kann in großem Umfang für biomedizinische Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. die Verabreichung von Arzneimitteln, die Biopsie und sogar die Operation mit hoher Präzision durch das gezielte Kauterisieren des Elektrophotometers.
Um diesen Vorgang zu starten, schneiden Sie einen drei Zentimeter langen Schrumpfschlauch ab und passen Sie die Länge bei Bedarf an die Eindringtiefe der Injektionsnadel an. Führen Sie die Injektionsnadel in den geschnittenen Schrumpfschlauch ein. Mit einer Heißluftpistole auf 150 Grad Celsius einstellen und den Schlauch schrumpfen.
Trennen Sie danach die Injektionsnadel von ihrer Nabe. Reinigen Sie die Nadel in einem entionisierten Wasserbad unter Ultraschallrührung. Verwenden Sie dann eine auf 105 Grad eingestellte Kochplatte, um die isolierte Nadel 10 Minuten lang zu dehydrieren.
Bringen Sie anschließend doppelseitiges Klebeband auf einen sauberen Objektträger an. Ordnen Sie die saubere, isolierte Nadel nebeneinander auf der freiliegenden Seite des doppelseitigen Klebebandes an. Mit Hilfe von Sputtergeräten wird Chrom und Gold auf die Nadeln aufgetragen, wie im Textprotokoll beschrieben.
Befestigen Sie zunächst mit doppelseitigem Klebeband eine der goldbesputterten Nadeln auf einem Objektträger. Erhitzen Sie das Spannfutter des Sprühbeschichters auf 100 Grad Celsius. Setze den Schieber auf das beheizte Spannfutter.
Lasse die Nadel zwei bis drei Minuten lang heiß werden. Sprühen Sie dann den Fotolack auf die goldbesputterte Nadel, während Sie ihn unter den hier gezeigten Bedingungen weiter erhitzen. Lassen Sie danach den Glasschieber auf dem Futter drei Minuten lang bei 100 Grad Celsius erhitzen, um es weich zu backen.
ÜberprüfenSie die Nadel mit einem Mikroskop mit 100-facher Vergrößerung, um festzustellen, ob der Fotolack gleichmäßig beschichtet ist. Heben Sie zunächst eine frei bewegliche Probenhalteplatte langsam an, bis sie vollständig mit der festen Photomasken-Halteplatte in Kontakt kommt. Befestigen Sie die Probenhalteplatte mit einer pneumatischen Pumpe.
Platzieren Sie anschließend die mit Fotolack beschichtete Nadel auf der Probenhalteplatte. Richten Sie zwei der Begrenzungslinien aus dem projizierten Bild mit zwei parallelen Ausrichtungslinien aus der Fotomaske aus, indem Sie den CCD-Monitor verwenden, um den Prozess in Echtzeit zu überwachen. Heben Sie die Nadel langsam an, um die Nadel in Kontakt mit der festen flexiblen Fotomaske zu bringen.
Setzen Sie die Nadel 30 Sekunden lang UV-Licht mit einer Intensität von 15 Millijoule pro Quadratzentimeter aus. Führen Sie dann den Entwicklungsprozess drei Minuten lang durch. Spülen Sie danach den Entwickler mit entionisiertem Wasser aus der Probe aus.
Bestimmen Sie mit einem Mikroskop mit 200-facher Vergrößerung, ob der Fotolack eindeutig strukturiert ist. Wenn der belichtete Fotolack nicht perfekt entfernt wird, wiederholen Sie den Entwicklungsvorgang in Abständen von 30 Sekunden. Lösen Sie die Probe mit einer Pinzette vom Objektträger.
Tauchen Sie eine Minute lang in goldenes Nassätzmittel ein. Verwenden Sie dann entionisiertes Wasser, um das Ätzmittel auszuspülen. Überprüfen Sie das Ergebnis mit einem Mikroskop mit 200-facher Vergrößerung.
Wenn noch zu entfernendes Gold übrig ist, wiederholen Sie den Ätzvorgang im Abstand von 10 Sekunden. Tauchen Sie anschließend die Nadel 30 Sekunden lang in Chromätzmittel. Verwenden Sie entionisiertes Wasser, um das Ätzmittel auszuspülen, wenn es fertig ist.
Tauchen Sie die geätzte Nadel eine Minute lang in eine Acetonlösung. Danach mit entionisiertem Wasser abspülen. Übertragen Sie die Probe auf eine auf 105 Grad Celsius erhitzte Heizplatte, um sie 10 Minuten lang zu dehydrieren.
Schneiden Sie dann den Schrumpfschlauch so ab, dass er zwei bis drei Millimeter länger ist als die Elektrode. Erhöhen Sie mit einer Heißluftpistole die Temperatur des Schrumpfschlauchs auf 150 Grad, um die Nadel fest zu passivieren. In dieser Studie werden interdigitalisierte Elektroden auf den Spitzen von Injektionsnadeln unter Verwendung einer Fotolack-Sprühbeschichtung und einer flexiblen Fotomaske hergestellt.
Die Elektroden werden erfolgreich mit einem Durchmesser von 820 Mikrometern hergestellt, während der Fertigungsabstand von der Nadelspitze nur 680 Mikrometer beträgt. Die Breite und der Abstand der Fotomaske, die 25 Mikrometer bzw. 15 Mikrometer betragen, sind so konzipiert, dass sie ein Ungleichgewicht der UV-Dosis beheben, das durch einen unvollkommenen Kontakt zwischen dem äußeren Teil der Fotomaske und der gekrümmten Oberfläche der Nadel entsteht. Diese Änderungen ermöglichen es, sowohl die Breite als auch den Abstand der Elektroden bei 20 Mikrometern erfolgreich herzustellen, indem die UV-Belichtungszeit optimiert wird.
Die Diskriminationsfähigkeit der elektrischen Impedanzspektroskopie an einer Nadel wird mit Hilfe verschiedener PBS-Konzentrationen bewertet. Da das PBS seriell mit deionisiertem Wasser verdünnt wird, nimmt die elektrische Leitfähigkeit mit abnehmender PBS-Konzentration ab. Somit nimmt die Größe der Impedanz zu, wenn das Konzentrationsniveau von PBS abnimmt.
Basierend auf dieser Diskriminationsfähigkeit wird das Tiefenprofiling mit einer Frequenz von einem Megahertz unter Verwendung von vierschichtigem Schweinegewebe durchgeführt. Entsprechend der Eindringtiefe des EoN, der Größe der Impedanz und des Fettgewebes, wird deutlich von der des Muskelgewebes unterschieden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie verstehen, wie man Mikroelektroden auf einem Tablett mit abgerundeter Oberfläche herstellt, um einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter abzulesen.
Derzeit sind wir besser in der Lage, die klinische Anwendbarkeit der Nadelsensoren für die Spinalanästhesie, die Schilddrüsenbiopsie und sogar Operationen wie laparoskopische Chirurgie und Leidenschaftsapronektomie zu finden.
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Überblick
Diese Studie demonstriert eine Methode zur Herstellung feiner interdigitaler Elektroden an den Spitzen von Hypodermiknadeln für biomedizinische Anwendungen. Die Technik verwendet Sprühbeschichtungen und Fotolithographie mit einer flexiblen Fotomaske, um eine präzise Musterung zu erreichen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Biomedizintechnik
- Mikrofabrikation
- Elektrochemische Sensorik
Hintergrund
- Die Herstellung feiner Elektroden ist entscheidend für fortgeschrittene biomedizinische Anwendungen.
- Die Methode zielt darauf ab, Probleme im Zusammenhang mit UV-Dosisungleichgewicht während der Elektrodenmusterung zu lösen.
- Interdigitale Elektroden sind besonders nützlich für präzise Messungen in medizinischen Behandlungen.
- Diese Studie konzentriert sich auf Reproduzierbarkeit und Einheitlichkeit in der Elektrodenentwicklung.
Zweck der Studie
- Interdigitale Elektroden an Hypodermiknadeln mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter herzustellen.
- Hohe Präzision in biomedizinischen Anwendungen wie Medikamentenverabreichung und Operationen zu ermöglichen.
- Die elektrische Impedanz der hergestellten Sensoren zu bewerten.
Verwendete Methoden
- Das Protokoll dreht sich um Fotolithographie- und Sprühbeschichtungstechniken.
- Eine Hypodermiknadel dient als primäres biologisches Modell für die Sensorbefestigung.
- Die Studie bewertet die elektrische Impedanz bei verschiedenen Konzentrationen von PBS.
- Wichtige Schritte umfassen Nadelvorbereitung, UV-Exposition, Entwicklungsprozesse und Ätzverfahren.
- Kritische Temperaturkontrolle und Timing werden während des gesamten Herstellungsprozesses betont.
Hauptergebnisse
- Die Elektroden wurden erfolgreich mit einem Abstand und einer Breite von 20 Mikrometern hergestellt.
- Die elektrische Impedanz variierte erheblich mit verschiedenen PBS-Konzentrationen, was eine effektive Messungsunterscheidung ermöglichte.
- Die Studie zeigte auch die Fähigkeit zur Tiefenprofilierung in Schweinegeweben.
- Die erfolgreiche Musterung der Elektroden ermöglicht eine verbesserte Präzision in verschiedenen klinischen Anwendungen.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie hebt einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von Mikroelektroden für biomedizinische Anwendungen hervor.
- Die entwickelte Methode zeigt Potenzial für den Einsatz in klinischen Umgebungen wie Spinalanästhesie und Biopsien.
- Sie unterstreicht Fortschritte im Verständnis der Sensortechnologie für verschiedene medizinische Zwecke.
Häufig gestellte Fragen
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.
