Article de méthode

Fabrication d’électrodes fines à l’extrémité de la seringue hypodermique à l’aide d’enduit de pulvérisation de résine photosensible et photomasque Flexible pour Applications biomédicales

DOI :

10.3791/56622

⸱

28 novembre 2017

 ,  , 
1Department of Biomedical Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Dans cet article

Résumé

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Le procédé de fabrication d’électrodes interdigitées fines (gap et largeur : 20 µm) à la pointe d’une aiguille hypodermique (diamètre : 720 µm) est démontrée en utilisant un jet enduit et photomasque film souple dans le processus de photolithographie.

Résumé

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Nous avons mis en place un procédé de fabrication pour la spectroscopie d’impédance électrique (SIE) - sur - un-aiguille (EoN : EIS-sur-a-aiguille) pour localiser les tissus cibles du corps en mesurant et en analysant les différences dans l’impédance électrique entre les différents biotissues. Cet article décrit le procédé de fabrication d’électrodes interdigitées fines (IDEs) à la pointe d’une aiguille hypodermique à l’aide d’une pulvérisation de résine photosensible revêtement et photomasque film souple dans le processus de photolithographie. Un polyéthylène téréphtalate (PET) chaleur shrink tube à (TVH) avec une épaisseur de paroi de 25 µm est employee comme la couche d’isolation et de passivation. La TVH PET présente une résistance mécanique plus élevée par rapport aux polymères de poly(p-xylylene), qui ont été largement utilisés comme matériau de revêtement diélectrique. En outre, la TVH montre bonne résistance chimique à la plupart des acides et des bases, qui est avantageux pour limiter les dégâts chimiques à l’EoN. L’utilisation de l’EoN est surtout préférée pour la caractérisation de produits chimiques/biomatériaux ou fabrication à l’aide de produits chimiques acides/basiques. L’écart fabriqué et la largeur des IDEs sont aussi petites que 20 µm, et la largeur et la longueur des IDEs globale sont de 400 µm et 860 µm, respectivement. La marge de fabrication du bout de l’aiguille hypodermique (distance entre l’extrémité de l’aiguille hypodermique et point de départ des IDEs) est aussi petite que 680 µm, qui indique cette invasion inutilement excessive dans biotissues peut être évitée au cours de la mesure de l’impédance électrique. L’EoN a un potentiel élevé pour l’usage clinique, tels que des biopsies de la glande thyroïde et administration de médicaments de l’anesthésie dans un espace de la colonne vertébrale. En outre, même en chirurgie nécessitant la résection partielle des tumeurs, le EoN peut être utilisée pour préserver les tissus normaux autant que possible en détectant la marge chirurgicale (tissu normal qui est enlevée avec l’exérèse chirurgicale d’une tumeur) entre le normal et tissus de la lésion.

Introduction

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Aiguilles hypodermiques sont largement utilisés dans les hôpitaux pour des biopsies et de délivrance de médicaments parce qu’ils sont peu coûteux et facile à utiliser. Ils ont aussi d’excellentes propriétés mécaniques malgré leur faible diamètre et une structure tranchants pour l’invasion. Au cours d’une biopsie, les tissus cibles sont échantillonnées dans le creux de l’aiguille hypodermique avec échographie orientation1. Bien que l’échographie est sans rayonnement, sans danger pour les foetus et les femmes enceintes et fournit une imagerie en temps réel, il est difficile de visualiser les organes qui sont profondément dans le corps, surtout dans le cas de patients obèses parce que les ultrasons ne peut pas pénétrer l’air ou 2de tissus adipeux. En outre, un chirurgien ne peut pas acquérir les informations de profondeur de l’échographie bidimensionnelle qui est classiquement utilisée dans la plupart des hôpitaux, d'où la nécessité pour les biopsies multiples si les médecins n’ont pas compétence ou d’expérience. Drug delivery pour la rachianesthésie, médecins de déterminent que l’aiguille a atteint l’espace de la colonne vertébrale si le liquide céphalo-rachidien (LCR) s’écoule vers l’arrière dans la seringue tout en insérant avec précaution l’aiguille dans le dos du patient. Après avoir confirmé le reflux de LCR, la drogue de l’anesthésie est injectée dans l' espace spinal3. Cependant, médecins risquent de pénétrer ou de couper les fibres nerveuses dans l’espace de la colonne vertébrale, provoquant une douleur aux patients et même paraplégie4,5. Par conséquent, cette procédure nécessite également un médecin habile. Une solution pour surmonter et d’atténuer les difficultés susmentionnées consiste à ajouter une fonction de navigation à la seringue hypodermique, afin qu’une information objective sur la position de l’aiguille peut être fournie. Cela contribuerait à un médecin facilement effectuer une biopsie, administration de médicaments et même une chirurgie sans compter sur leur jugement empirique uniquement.

Afin de localiser électriquement les tissus de cible dans le corps, une seringue hypodermique incorporant une spectroscopie d’impédance électrique capteur (EIE) a été introduite comme EIS-sur-a-aiguille (EoN)6. Le capteur de l’EIE est actuellement utilisé dans le domaine du génie biomédical pour des applications telles que l’ADN détection7,8,9, bactéries/virus détection10,11,12 et analysent les cellules/tissus13,14,15,16,17,18,19,20 , 21 , 22. the EoN peut discriminer entre matériaux différents dans un domaine de fréquence selon leur conductivité électrique et la permittivité. La capacité de discrimination de l’EoN a été vérifiée pour différents niveaux de concentration de tampon phosphate salin (PBS)23, porc gras/muscle tissus6,23et même humain normal/cancer rénal tissus24 ,,25. Cette capacité de l’EoN devrait considérablement augmenter l’exactitude de la biopsie en localisant les tissus cibles basées sur les différences d’impédance électrique entre les tissus de lésion cible et les tissus voisins normaux. De manière similaire, les différences d’instruction de l’impédance électrique entre l’injection de drogues l’espace (espace rachidienne ou péridurale) et les tissus environnants peuvent aider les médecins à administrer un médicament anesthésie à l’emplacement cible exacte. En outre, le EoN peut servir à stimuler électriquement le cerveau/muscle aussi bien que pour déterminer une marge chirurgicale optimale pendant les chirurgies nécessitant la résection partielle d’une tumeur, tels que la néphrectomie partielle, à préserver en tant que tissu beaucoup normal comme possible.

Un des défis plus importants dans la réalisation de l’EoN est la fabrication d’électrodes sur la surface courbe d’une aiguille hypodermique ayant un faible rayon de courbure. Directe structuration métallique en utilisant un procédé de photolithographie conventionnel a été considérée comme impropre à la fabrication d’électrodes micro-entreprises sur un substrat incurvé avec un diamètre de quelques millimètres ou moins. Jusqu'à présent, les différentes méthodes, y compris conforme d’impression26, flexible sec film photosensible27, la microfluidique méthode28, nano-impression lithographique29et substrat-tournant Lithographie30, ont été introduit pour fabriquer des modèles métal/polymère sur une surface courbe. Cependant, il y a toujours limites en raison des exigences d’EoN, tels que le substrat requis avec un diamètre inférieur à 1 mm, longueur totale électrode de 20 mm ou plus, la largeur et l’écart des électrodes allant dans des dizaines de micromètres et la production à volume élevé.

Dans la présente étude, directe structuration métal en employant la pulvérisation de résine photosensible revêtement et un film souple photomasque est proposée de réaliser des micro-entreprises des électrodes sur la surface courbe d’une aiguille hypodermique. Le diamètre de l’aiguille est aussi petit que 720 µm (calibre 22), qui est largement utilisée pour les biopsies et administration de médicaments dans les hôpitaux. Le rendement de production de la méthode de fabrication proposée est également évalué afin de déterminer la faisabilité de la production en bloc à un prix abordable.

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Protocole

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1. isolation d’aiguille hypodermique

NOTE : Un tube de rétrécissement thermique transparent (TVH) est employé pour l’isolation électrique d’une aiguille hypodermique qui est 720 µm de diamètre et de 32 mm de longueur. La TVH est faite de polyéthylène téréphtalate (PET), qui montre bonne résistance chimique à la plupart des acides et des bases, excellente résistance mécanique et de biocompatibilité. Le diamètre intérieur initial et l’épaisseur de la paroi de la TVH sont 840 µm et 25 µm, respectivement. Le diamètre de la TVH tend à se réduire de plus de 50 % à une température de 100 ° C, avec une réduction encore plus grande aux températures plus élevées jusqu'à 190 ° C. Notez que la TVH PET est un matériau thermodurcissable qui a la propriété de devenir définitivement dur et rigide, une fois durci. La taille de l’aiguille hypodermique et shrink tube peut être ajustée selon le but de la recherche et les applications. Le processus global de fabrication est résumé graphiquement sur la Figure 1.

  1. Couper la TVH sur une longueur de 3 cm. ajuster la longueur du tube selon la profondeur de pénétration de l’aiguille hypodermique.
  2. Insérer l’aiguille hypodermique dans la coupe HST.
  3. Rétrécir le tube à l’aide d’un pistolet à air chaud à une température de 150 ° C, ce qui passe pour éviter la contraction supplémentaire non désirée lors de déshydratation à 105 ° C dans le processus de nettoyage (à l’étape 1.6).
  4. Séparer la seringue hypodermique de son moyeu.
  5. Nettoyer l’aiguille hypodermique isolé par la TVH dans un bain d’eau désionisée (DI) (20 ° C) avec agitation ultrasonique à 30kHz et 350 W de puissance.
  6. Déshydrater l’aiguille hypodermique isolé de la TVH sur une plaque de cuisson à 105 ° C pendant 10 min.

2. Au dépôt à l’aide de pulvérisation

NOTE : Dans cette étude, le processus de pulvérisation qui est disponible est utilisé pour déposer une couche pour électrodes, bien qu’un processus d’évaporation de faisceau électronique peut être une méthode alternative. Il a été confirmé que l’élévation de température induite dans le processus de pulvérisation rarement provoque un rétrécissement supplémentaire de la TVH. Toutefois, un processus qui se poursuit pendant plus de quelques minutes peut chauffer la TVH au-dessus de la température de retrait initial. Ceci peut causer un rétrécissement supplémentaire de la TVH, résultant en une augmentation de la marge de fabrication de la pointe.

  1. Organiser les aiguilles hypodermiques nettoyés isolés par la TVH côte à côte sur une lame de verre à l’aide de ruban adhésif double-face pour les dépôts de Cr/UA.
  2. À l’aide de matériel de pulvérisation, dépôt Cr/UA sur les aiguilles hypodermiques nettoyés, isolées de la TVH.
    Remarque : dans ce cas, les épaisseurs de Cr et de l’UA ont été 10 nm et 100 nm, respectivement (Cr a été utilisé pour la couche d’adhérence entre la TVH et la couche de l’UA).
    1. Organiser les aiguilles autant que possible afin de réduire les temps de production et de coût de production. Utiliser les conditions de pulvérisation sous dépôt 10 nm Cr et 100 nm UA.
    2. Pour Cr bredouillement, set diamètre cible Cr : 4 pouces, puissance RF : 300 W, pression argon : 5 mTorr et l’obturateur ouvert temps : 20 s (10 nm).
    3. Pour UA bredouillement, employer Au cible diamètre : 4 pouces, alimentation CC : 300 W, pression argon : 10 mTorr et l’obturateur ouvert temps : 80 s (100 nm).

3. Jet enduit

Remarque : Une faible viscosité (14 cp) résine photosensible est utilisé dans le procédé de revêtement de spray pour accroître l’efficacité de la pulvérisation. La résine photosensible peut être facilement recouvert sur l’aiguille plaqué Au uniquement lorsque l’aiguille est chauffée.

  1. Fixer l’une des aiguilles hypodermiques Au plaqué sur une lame de verre à l’aide de ruban adhésif double-face.
  2. Placer le verre de diapositives sur un mandrin de la coucheuse spray qu’on veut chauffer à 100 ° C. Attendre 2-3 min jusqu'à ce que l’aiguille est suffisamment chauffée.
  3. Vaporiser la résine photosensible sur l’aiguille plaqué Au pendant le chauffage de l’aiguille à 100 ° C. Effectuer le processus de revêtement par pulvérisation à l’aide des conditions suivantes. Diamètre de buse fixe : 400 µm, buse Vitesse : 70 mm/s, la pression de pulvérisation : 500 kPa et la distance entre le mandrin et la buse : 13,5 cm.
  4. Après que pulvérisation revêtement est terminée, laissez la lame de verre sur le mandrin à 100 ° C pendant 3 min effectuer un processus de cuisson doux.
  5. Examinez le résultat en utilisant un microscope à grossissement X 100 la valeur afin de déterminer si la résine photosensible est uniformément enduite sur l’aiguille Au métallisée.

4. exposition aux UV et développement

NOTE : en général, avant l’exposition aux UV, un film souple photomasque est attaché à une plaque plate transparente pour enlever l’entrefer entre le photomasque et l’échantillon d’être exposés aux rayons ultraviolets. Toutefois, dans cette étude, le photomasque est utilisée sans la plaque plate transparente pour réaliser le métal direct répétition sur la surface courbée de l’aiguille hypodermique. Le bidon de photomask plié en concordance le long de la courbe de l’aiguille hypodermique pour atteindre la meilleure résolution possible avec la géométrie des contacts le patterning. Le pliage permet le photomasque souple garder la surface de contact entre le photomasque et la surface courbée de l’aiguille hypodermique aussi grande que possible. Prenant un humide procédé (pas un décollage) de gravure pour metal patterning en considération, l’utilisation d’une résine photosensible positive est plus avantageuse que l’utilisation d’une résine photosensible négative. C’est parce que toute la surface sauf le modèle de l’électrode est transparente, offrant ainsi un large champ de vision pour aligner facilement le modèle de l’électrode avec l’axe de l’aiguille.

  1. Pour minimiser l’erreur wedge, soulevez lentement une plaque de porte-échantillon mobile librement jusqu'à ce qu’il touche entièrement la plaque fixe de photomask-retenue. Puis, fixez la plaque de porte-échantillon à l’aide d’une pompe pneumatique.
    1. Effectuer ce processus pour éviter des habitudes indésirables, qui peuvent être formés par la diffusion de la lumière UV dans l’entrefer et causées par le contact incomplet entre l’échantillon et photomasque.
      NOTE : en outre, la minimisation de l’erreur de cale assure que l’aiguille hypodermique enduit de résine photosensible ne bouge pas lorsqu’il entre en contact avec un masque de film photographique dans la prochaine étape de l’alignement, même si la surface de contact de l’aiguille hypodermique a une forme ronde.
  2. Placez l’aiguille hypodermique enduit de résine photosensible sur la plaque porte-échantillon de l’alignement.
  3. Aligner l’image projetée de l’aiguille hypodermique enduit de résine photosensible avec le motif d’alignement de la photolithographie de film.
    Remarque : dans ce cas, le motif d’alignement de la photolithographie de film a été conçu comme deux lignes parallèles à une distance de 800 µm, compte tenu de l’épaisseur de la TVH et enduit de résine photosensible.
    1. Aligner les deux lignes de démarcation de l’image projetée avec deux lignes d’alignement parallèle de la photolithographie (Figure 1e) ; ainsi, l’aiguille hypodermique enduit de résine photosensible peut être positionné au centre de deux lignes d’alignement parallèle, avec un débattement de 10 µm ou moins.
    2. Surveiller le processus d’alignement dans en temps réel par le biais de l’écran connecté à la caméra de dispositif à couplage de charge (CCD) et un microscope.
  4. Amener l’aiguille hypodermique enduit de résine photosensible en contact avec le photomasque flexible fixe en soulevant lentement l’aiguille vers le photomasque.
  5. Procéder à l’exposition aux UV pendant 30 s (intensité du rayonnement UV : 15 mJ/cm2) et poursuivre par le processus de développement pendant 3 min.
  6. Rincez le développeur de l’échantillon à l’aide de l’eau distillée.
  7. Inspecter le résultat défini à un grossissement de 200 X afin de déterminer si la résine photosensible est clairement calquée sur la seringue hypodermique plaqué Au microscope. Si la résine photosensible exposée n’est pas parfaitement retirée après le processus de développement, répétez le processus de développement à intervalles de 30 s.

5. Cr/Au humides de mordançage

ATTENTION : Evitez de peau/eye contact avec les agents de humide Cr et Au Gravure pour.

  1. Utilisez une pince pour détacher l’échantillon (résine photosensible à motifs seringue hypodermique) fixé sur la lame de verre.
  2. Plongez l’échantillon dans le gel de mordançage Au mouillé pendant 1 min.
  3. Rincer le gel de mordançage de l’échantillon à l’aide de l’eau distillée.
  4. Examinez le résultat à travers un microscope a un grossissement de 200 X. Si l’or pour être enlevé encore restes, répétez l’humide processus de gravure à intervalles de 10 s. Gravure humide trop long temps rend les électrodes interdigitées (IDE) plus mince.
  5. Plonger l’échantillon dans le gel de mordançage Cr pendant 30 s.
  6. Rincer le gel de mordançage Cr de l’échantillon à l’aide de l’eau distillée.

6. enlèvement de photorésine résiduelle et Passivation

  1. Plongez l’échantillon (métal à motif seringue hypodermique) dans une solution d’acétone pendant 1 min.
  2. Rincer l’échantillon avec l’eau distillée et on déshydrate sur une plaque chauffante à 105 ° C pendant 10 min.
  3. Pour la passivation électrique des lignes de connexion, couper le tube de rétrécissement pour qu’il soit 2-3 mm de plus que l’électrode (20 mm, la profondeur maximale de pénétrer), comme illustré à la Figure 2, parce que la longueur de la TVH sera réduite après la TVH se rétrécit.
  4. Après avoir positionné la TVH autant que possible de l’extrémité de l’IDE, augmenter la température de la TVH en utilisant un pistolet à air chaud à 150 ° C pour passiver étroitement l’aiguille.

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Résultats

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Les électrodes interdigitées (IDEs), comme illustré à la Figure 2, entraîner une plus grande surface de détection efficace sur une surface limitée par rapport à d’autres formes d’électrodes. La longueur totale des IDEs est conçue pour être 860 µm pour détecter et analyser les changements d’impédance inférieure à intervalles de 1 mm dans le biotissues, qui offrira une grande précision de positionnement dans les procédures de livraison de biopsie et de la drogu...

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Discussion

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Nous avons démontré que la photolithographie à l’aide d’enduit de pulvérisation et un masque de film photographique est une méthode faisable pour fabriquer des IDEs fines sur la surface courbe d’une aiguille hypodermique de petit diamètre de moins de 1 mm. La largeur et l’écart des IDEs sont aussi faibles que 20 µm, et la marge de fabrication de la pointe est aussi petite que 680 µm. Au sein du protocole, le processus d’alignement, y compris l’enlèvement de coin d’erreur, est une étape cruciale. Le rendement de productio...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par le projet de « Recherche biomédicale de la technologie intégrée » grâce à une subvention octroyée par GIST en 2017.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Tube thermorétractableVENTION MEDICAL, Inc.103-0655
Aiguille hypodermique (22G)HWAJIN MEDICAL co. ltd-http://www.hwajinmedical.com
Pistolet thermiqueWellerWHA600http://www.weller-tools.com/en/Home.html
Nettoyeur à ultrasonsHWASHIN INSTRUMENT CO, LTD.POWERSONIC 620-http://www.hwashin.net
Plaque chauffanteAS ONE Corporation006560
Système de pulvérisationA-Tech. Ltd.ATS/SPT/0208Fhttp://www.atechsystem.co.kr
Diapositive en verrePaul Marienfeld GmbH & Co. KG1000412
Revêtement par pulvérisationLITHOTEKLSC-200
PhotoresistAZ matériaux électroniquesGXR 601http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html
Développeur (solution)AZ matériaux électroniquesMIF 300Aligneur http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html
MIDAS SYSTEM CO., Ltd.MDA-400Mhttp://www.midas-system.com
MicroscopeNIKON CorporationL200http://www.nikonmetrology.com
Au mordançant humideTRANSENE COMPANY, Inc.Au graveur type TFAhttp://transene.com
Cr humidegravé KMG Electronic. Produits chimiques, Inc.Cible CR-7http://kmgchemicals.com
AuFilms minces et matériaux fins-http://www.thifine.co.kr
Cible CrFilms minces et matériaux fins-http://www.thifine.co.kr
Gaz argon (99,999 %)Gaz SINILCo.Ltd-http://www.sigas.kr
Solution d’acétoneOCI Company Ltd-http://www.ocicorp.co.kr/company/index.asp
Analyseur d’impédanceGamry Instruments IncRéférence 600https://www.gamry.com
Contrôleur de hauteurMitutoyo Corporation192-613
Saline tamponnée au phosphateLife Technologies Corporation10010023

Références

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Mots-clés

Hypodermic Needle ElectrodesInterdigitated ElectrodesElectrical Impedance SpectroscopyHeat Shrink TubePhotolithography ProcessTissue DiscriminationSurgical Margin Detection

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