Fabricación y caracterización de un sistema electrónico conforme de la piel-como para la gestión cuantitativa, cutánea de la herida

El objetivo general de este procedimiento es fabricar un dispositivo electrónico similar a la piel para el manejo cuantitativo de heridas cutáneas. Esto se logra primero desarrollando un dispositivo electrónico sobre un sustrato portador. El segundo paso consiste en preparar una membrana elastomérica para embeber la electrónica.

A continuación, se recuperan los dispositivos electrónicos fabricados de su compuesto de fabricación y se transfieren a la membrana. Los pasos finales consisten en encapsular los dispositivos electrónicos con un recubrimiento de silicona y conectar un cable flexible para la adquisición de datos. El dispositivo terminado se lamina cerca del tejido de la herida de un paciente para monitorear el tiempo, la temperatura variable y la conductividad térmica del tejido como parte del manejo de la herida.

La principal ventaja de este dispositivo frente a las herramientas existentes basadas en inspecciones visuales microscópicas es que puede proporcionar un monitoreo cuantitativo multifuncional de la temperatura y la conductividad térmica cerca del tejido de la herida. El dispositivo blando, biocompatible y que se puede usar sobre la piel ofrece las funciones y características necesarias para su uso en entornos clínicos, y tiene un gran potencial para abordar problemas importantes en el manejo de heridas crónicas. Este protocolo de recubrimiento por centrifugado puede realizarse sobre obleas de silicio de cualquier tamaño.

Para comenzar, desengrase las obleas con acetona y alcohol isopropílico. Luego, enjuáguelas con agua desionizada y séquelas con nitrógeno. Deshidrate la oblea durante tres minutos en una placa calefactora ajustada a 110 grados Celsius.

Ahora, aplique por centrifugado cinco gramos de PDMS sobre las obleas a 3000 RPM durante un minuto y complete el proceso curando las obleas en una placa calefactora ajustada a 150 grados Celsius durante media hora. Después de tratar con UV las obleas recubiertas con PDMS durante tres minutos, aplique por centrifugado poliamida sobre las obleas. Aplique dos mililitros con una pipeta y centrifugue a 4.000 RPM durante un minuto para obtener una capa de 1,2 micrómetros.

Luego, precocer las obleas en una placa caliente a 150 grados Celsius durante cinco minutos y hornearlas en un horno a 250 grados Celsius durante dos horas. A continuación, mediante evaporación por haz de electrones, depositar una capa de 20 nanómetros de espesor de cromo para adherencia, seguida de una capa de tres micrómetros de espesor de cobre para conductividad. A continuación, aplicar por centrifugación dos mililitros de resistencia fotosensible sobre las obleas en tres pasos para obtener una capa inferior a 10 micrómetros.

Ahora, cure las obleas en una placa caliente a 75 grados Celsius durante 30 minutos. A continuación, utilice un alineador de luz UV a 10 milivatios por segundo para centrar el patrón electrónico de cobre en la oblea. Utilice un tiempo de exposición de 25 segundos.

Se utiliza un patrón fractal para fabricar sensores y se crea una malla abierta para los interconectores. Revele la resistencia fotográfica en una solución reveladora al 33 % durante un minuto. Luego enjuague los chips con agua desionizada y séquelos bajo una corriente de nitrógeno.

Antes de continuar, revise los patrones bajo un microscopio en busca de defectos. A continuación, grabe el cobre sobre la oblea utilizando un baño de seis minutos en grabado químico. Después del grabado, enjuague y seque las obleas.

Como antes, revise los patrones grabados bajo un microscopio, ya que un sobregrabado mayor al 20 % provoca fallas mecánicas. Para grabar la capa de cromo, utilice cinco minutos de grabado iónico reactivo. Después de verificar el grabado, elimine los residuos de fotoresina con 10 mililitros de acetona, seguido de 10 mililitros de isopropanol.

Y en tercer lugar, 20 mililitros de agua desionizada. Siga los baños secando las obleas bajo una corriente de nitrógeno. Para este protocolo, prepare 10 gramos de una mezcla de silicona encapsulante para el material objetivo sobre el cual se transferirán los dispositivos electrónicos, en un recipiente de Petri de 10 centímetros de ancho.

Aplicar recubrimiento por centrifugado: ocho gramos de mezcla a 150 rpm durante un minuto, para obtener un recubrimiento de silicona de medio milímetro de espesor. Dejar curar durante la noche a temperatura ambiente.

A continuación, coloque trozos de cinta soluble en agua de tamaño adecuado sobre los chips del patrón para que actúen como una superficie laminada para los patrones electrónicos. Después de colocar la cinta, caliente las obleas durante tres minutos a 130 grados Celsius. Luego, retire rápidamente la cinta para despegar y recuperar los dispositivos electrónicos sobre los patrones de recuperación.

Utilice evaporación por haz de electrones para depositar 20 nanómetros de cromo para una adhesión adicional. Luego, deposite 50 nanómetros de dióxido de silicio sobre la capa de cromo. Ahora recupere la capa de silicona y trátela con luz UV de 365 nanómetros durante dos minutos a 8,9 milivatios por centímetro cuadrado.

Esto activa la superficie con el silicona activado. Presione los componentes electrónicos recuperados sobre el silicona y distribúyalos uniformemente sobre el material objetivo. Luego trate la cinta con agua para disolverla y, después de cinco minutos, retire cuidadosamente la cinta.

Luego, enjuague el silicona con agua desionizada y seque en una placa caliente a 90 grados Celsius durante un minuto. Para crear el dispositivo, comience cubriendo las almohadillas de contacto con un trozo rectangular de PDMS utilizando la fuerza de enlace de Vander Wall. Ahora, para transferir la electrónica, centrifugue cinco gramos de mezcla de silicona encapsulada a 4.000 RPM durante un minuto.

Esto forma una capa de cinco micrones de grosor, que se cura durante la noche a temperatura ambiente. Al día siguiente, limpie las almohadillas del sensor con medio mililitro de flux líquido para acero durante tres segundos. Luego, suelde un cable flexible de cinta a los puntos de contacto con presión y calor superior a 60 grados Celsius.

Verifique las conexiones con un multímetro. La resistencia entre la almohadilla del sensor y el cable de la película separados un centímetro debe ser inferior a un ohmio. Sujete el otro extremo del cable de cinta a una placa de circuito impreso personalizada de la misma manera. Finalmente, conecte el dispositivo al hardware de adquisición de datos soldando cables convencionales a la PCB.

Utilizando el protocolo descrito, se fabricó el dispositivo sensor electrónico. Se examinó la flexibilidad del dispositivo. No se produjo fractura mecánica bajo tensión y el dispositivo permaneció funcional.

Se midió la resistencia en seis ubicaciones del sensor utilizando una placa calefactora de alta precisión. Hubo una relación lineal que indicaba que los sensores estaban bien calibrados para detectar cambios sutiles de temperatura. Además, se utilizó una señal adaptada de tres omega para evaluar la conductividad térmica con el dispositivo en un entorno clínico.

El dispositivo se utilizó para monitorear la cicatrización de heridas después de la cirugía durante un mes. De esta manera, se midió la temperatura del proceso de cicatrización. Hubo una inflamación intensa en el sitio de la herida al tercer día, lo que se refleja en el pico de temperatura medido por el dispositivo.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar un dispositivo eléctrico esquemático conformal para el manejo cuantitativo de heridas en pacientes.