ייצור ואפיון של מערכת אלקטרונית כמו-עור קונפורמי לניהול כמותי, עורית פצע

המטרה הכללית של הליך זה היא לייצר התקן אלקטרוני דמוי עור לניהול כמותי של פצעים בעור. דבר זה מושג תחילה על ידי פיתוח התקן אלקטרוני על מצע נשאי. השלב השני הוא הכנת ממברנה אלסטומרית להטמעת הרכיבים האלקטרוניים.

לאחר מכן, הרכיבים האלקטרוניים המיוצרים נשלפים מתרכובת הייצור שלהם ומועברים אל הממברנה. השלבים הסופיים הם עטיפת הרכיבים האלקטרוניים בציפוי סיליקון וחיבור כבל גמיש לרכישת נתונים. המכשיר המוגמר מולחם סמוך לרקמת הפצע של המטופל כדי לנטר את הזמן, טמפרטורה משתנה ומוליכות תרמית של הרקמה כחלק מניהול הפצע.

היתרון המרכזי של מכשיר זה על פני כלים קיימים המבוססים על בדיקות ויזואליות מיקרוסקופיות הוא יכולתו לספק ניטור כמותי רב-תפקודי של הטמפרטורה והמוליכות התרמית סמוך לרקמת הפצע. המכשיר הרך, הביו-תואם והלביש על העור מספק את התפקודיים והמאפיינים הנדרשים לשימוש במסגרות קליניות, ובעל פוטנציאל רב למתן מענה לסוגיות חשובות בניהול פצעים כרוניים. ניתן לבצע פרוטוקול ציפוי ספין (spin coating) זה על גבי פרוסות סיליקון בכל גודל.

כדי להתחיל, נקו את השומנים מהפרוסות (wafers) באמצעות אצטון ואיסופרופנול. לאחר מכן, שטוף אותן במים דה-יוניים וייבש אותן תחת זרם חנקן. ייבש את הפרוסה למשך שלוש דקות על פלטה חמה המכווןת ל-110 °C.

כעת בצעו ציפוי ספין (spin coat) של חמישה גרמים של PDMS על גבי השבבים במהירות של 3000 RPM למשך דקה אחת, והשלימו את התהליך על ידי הקשיית השבבים על פלטה חמה המכוונת ל-150 °C למשך חצי שעה. לאחר טיפול ב-UV של השבבים המצופים ב-PDMS למשך שלוש דקות, בצעו ציפוי ספין של פוליאמיד על גבי השבבים. מרחו שני מיליליטרים באמצעות פיפטה וסובבו במהירות של 4,000 RPM למשך דקה אחת לקבלת שכבה בעובי של 1.2 מיקרון.

לאחר מכן, בצעו אפייה מוקדמת של השבבים על פלטה חמה בטמפרטורה של 150 °C למשך חמש דקות, ואפו אותם בתנור בטמפרטורה של 250 °C למשך שעתיים. בהמשך, באמצעות הפקדה של אידוי בקרן אלקטרונים, הפיקו שכבה בעובי 20 nm של כרום לצורך היצמדות, ולאחריה שכבה בעובי 3 µm של נחושת לצורך מוליכות. לאחר מכן, בצעו spin-coating של 2 mL של פוטורזיסט על השבבים בשלושה שלבים לקבלת שכבה בעובי של פחות מ-10 µm.

כעת יש להקשות את הפרוסות על פלטה חמה בטמפרטורה של 75 °C למשך 30 דקות. לאחר מכן, השתמשו במיישר UV בעוצמה של 10 milliwatts per second כדי למרכז את תבנית הנחושת האלקטרונית על הפרוסה. השתמשו בזמן חשיפה של 25 שניות.

תבנית פרקטלית משמשת ליצירת חיישנים ורשת פתוחה נוצרת עבור החיבורים. פתח את הפוטורזיסט בתמיסת מפתח בריכוז 33% למשך דקה אחת. לאחר מכן, שטוף את השבבים במים דה-יוניים וייבש אותם תחת זרם חנקן.

לפני ההמשך, בדוק את התבניות תחת מיקרוסקופ כדי לוודא שאין פגמים. לאחר מכן, בצע תכריסם לנחושת שעל הפרוסה באמצעות טבילה של שש דקות בתמיסת תכריסם כימי. לאחר התכריסם, שטוף וייבש את הפרוסות.

כפי שנעשה קודם לכן, יש לבדוק את התבניות החרוטות תחת מיקרוסקופ; חריטה של יותר מ-20% של מוליכי הנחושת מובילה לכשיל מכני. כדי לחרוט את שכבת הכרום, השתמשו בחמש דקות של חריטה ביונית ריאקטיבית. לאחר בדיקת החריטה, הסירו את שאריות הפטורס (photoresists) באמצעות 10 milliliters של אצטון, ולאחריהם 10 milliliters של איזופרופנול.

ושלישית, 20 milliliters של מים דה-יונזים. לאחר הרחצות אלו, ייבשו את הפרוסות תחת זרם חנקן. עבור פרוטוקול זה, הכינו 10 grams של תערובת סיליקון למעטפת עבור החומר המטרה שאליו יועברו הרכיבים האלקטרוניים, בתוך צלח פטרי ברוחב 10 centimeter.

בצעו ציפוי במערבל (Spin coat), שמונה גרם מהתערובת ב-150 RPM למשך דקה. לקבלת ציפוי סיליקון בעובי של חצי מילימטר. הניחו לזה להתקשח למשך לילה בטמפרטורת החדר.

בשלב הבא, הצמידו חתיכות גזורות של סרט דביק מסיס במים לשבבי התבנית, שישמשו כמשטח למינציה עבור התבניות האלקטרוניות. לאחר הצמדת הסרט, חממו את פרוסות הסיליקון למשך שלוש דקות בטמפרטורה של 130 degrees Celsius. לאחר מכן, קלפו במהירות את הסרט כדי להפריד ולשלוף את הרכיבים האלקטרוניים אל תוך תבניות השליפה.

השתמש באידוי בקרן אלקטרונים (e-beam evaporation) כדי להשקיע 20 nanometers של כרום להגברת ההיצמדות. לאחר מכן, השקיע 50 nanometers של סיליקון די-אוקסיד על שכבת הכרום. כעת הוצא את שכבת הסיליקון והטלה עליה קרינת UV באורך גל של 365 nanometer למשך שתי דקות בעוצמה של 8.9 milliwatts per square centimeter.

פעולה זו מפעילה את פני השטח עם הסיליקון הפעיל. לחץ את הרכיבים האלקטרוניים שהוצאו לתוך הסיליקון, ופזר אותם באופן אחיד על חומר היעד. לאחר מכן, טפל בסרט בעזרת מים כדי להמיס אותו, ולאחר חמש דקות, קלף את הסרט.

לאחר מכן, שטפו את הסיליקון במים דה-יוניים (deionized water) ויבשו על פלטה מחממת בטמפרטורה של 90 °C למשך דקה אחת. כדי ליצור את ההתקן, התחילו בכיסוי של פדי המגע באמצעות פיסה מלבנית של PDMS תוך שימוש בכוח קישור של ואן דר ואלס (Vander Wall's bonding force). כעת, עבור העברת האלקטרוניקה, בצעו ספינקו (spin-coat) של חמישה גרמים של תערובת סיליקון מעטופפת במהירות של 4,000 RPM למשך דקה אחת.

פעולה זו יוצרת שכבה בעובי של 5 מיקרון, אשר עוברת פולימריזציה במהלך הלילה בטמפרטורת החדר. למחרת, נקו את פדי החיישן עם 0.5 mL של פלאקס פלדה נוזלי למשך שלוש שניות. לאחר מכן, הצמידו כבל סרט גמיש לנקודות המגע באמצעות לחץ וחום העולה על 60 °C.

בדוק את החיבורים באמצעות מולטימטר. ההתנגדות בין מד חיישן לבין כבל הסרט במרחק של סנטימטר אחד צריכה להיות פחות מאוהם; חבר את הקצה השני של כבל הסרט ללוח מעגלים מותאם באופן דומה. לבסוף, חבר את המכשיר לחומרה של רכישת נתונים על ידי הלחמה של חוטים רגילים ל-PCB.

באמצעות הפרוטוקול המתואר, יוצר התקן החיישן האלקטרוני. גמישות ההתקן נבדקה. לא התרחשו שברים מכניים תחת מאמץ מתיחה וההתקן היה פונקציונלי.

ההתנגדות בשש נקודות חיישן נמדדה באמצעות פלטה חימום (hot plate) בעלת דיוק גבוה. נמצא קשר ליניארי המעיד על כך שהחיישנים כוילו היטב לזיהוי שינויים קלים בטמפרטורה. יתרה מכך, נעשה שימוש באות "שלוש אומגה" (three omega) מותאם כדי להעריך את המוליכות התרמית של המכשיר בסביבה קלינית.

המכשיר שימש לניטור ריפוי הפצע לאחר הניתוח למשך תקופה של עד חודש. כך נמדדה הטמפרטורה של תהליך ריפוי הפצע. ביום השלישי נצפתה דלקת עזה באתר הפצע, אשר באה לידי ביטוי בעליית הטמפרטורה שנמדדה על ידי המכשיר.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן הייצור של התקן חשמלי סכימי קונפורמלי לניהול כמותי של פצעים בחולים.