方法論記事

医用フォトレジスト スプレー塗装と柔軟なフォトマスクを使用して皮下注射針の先端の微細電極の作製

DOI：

10.3791/56622

⸱

2017年11月28日

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

この記事について

サマリー

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高級櫛型電極の作製法 (ギャップと幅: 20 μ m) 注射針の先端に (直径: 720 μ m) フォトリソグラフィ工程でスプレー塗装と柔軟なフィルム フォトマスクを使用して示されて。

要約

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上の電気インピー ダンス分光 (EIS) の作製方法を紹介して、-針 (EoN: EIS 上針) 計測・異種による生体組織の電気的インピー ダンスの違いを分析し体内の標的組織を検索します。フォトリソグラフィ工程でのフォトレジスト スプレー コーティングと柔軟なフィルム フォトマスク使用注射針の先端に細かい櫛型電極 (Ide) を作製する方法について述べる。ポリエチレンのポリエチレンテレフタ レート (PET) の熱収縮チューブ (ハッブル宇宙望遠鏡) が壁厚 25 μ m では断熱材とパッシベーション層として用いられます。ハッブル宇宙望遠鏡はペットは、誘電体コーティング材として広く使用されている poly(p-xylylene) のポリマーと比較して高い機械的耐久性を示しています。さらに、HST はイーオンに化学的損傷を制限するために有利であるほとんどの酸と塩基、耐薬品性を示します。イーオンの使用は、特に化学物質/材料の酸/塩基の化学物質を使用して作製評価に適しています。作製したギャップと Ide の幅が 20 μ m ほどと全体の幅と、Ide の長さは 400 μ m と 860 μ m それぞれ。注射針の先端 (注射針の先端と Ide の開始点の間の距離) から製造マージンは 680 μ m ほど中を示す尖頭のの不要な侵入を避けることができる、電気インピー ダンス測定。イーオンは、臨床使用の可能性が高いように甲状腺生検と脊髄領域の麻酔薬物送達。さらに、腫瘍の切除を含む手術でもイーオン用いることができる通常の外科的マージン (通常組織腫瘍の外科的切除で除去) を検出することによりできるだけ多く正常な組織として維持するために、病変組織。

概要

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皮下注射針は、安価で使いやすいので広く生検と薬剤投与のための病院に利用されます。また、薄型の直径と侵略に適した鋭利構造にもかかわらず優れた機械的特性があります。生検中に超音波ガイダンス1皮下注射針の中空に標的組織をサンプリングします。超音波検査は放射線の胎児や妊娠中の女性にとって安全な無料リアルタイム イメージングを提供します、それは超音波が空気を突き通すことができないので、肥満患者の場合は特に、体の奥深くにある臓器を参照してくださいすることは困難または脂肪組織2。さらに、外科医は医師のスキルを欠いている場合、生検の必要性の結果、病院の大半に従来利用されている二次元超音波検査からの奥行き情報を取得できませんまたはが発生します。、脊髄くも膜下麻酔の薬剤では、医師は、脳脊髄液 (CSF)、慎重に患者さんの背中に針を挿入する際、注射器に逆流する場合針が脊髄の領域に達したことを決定します。CSF の逆流を確認した後、麻酔薬は脊髄領域3に注入されます。しかし、医師を危険にさらす貫通または脊髄領域における神経線維を切断患者とも麻痺4,5に激しい痛みを引き起こします。したがって、この手順には、熟練した医師も必要です。克服し、上記の問題を軽減する 1 つのソリューションは、針の位置について客観的な情報を提供することができますので、皮下注射針にナビゲーション機能を追加することです。これは容易に彼らの経験的判断のみに頼ることがなく生検、薬剤配達およびも手術を実行医師に役立つでしょう。

電体、電気インピー ダンス分光法を取り入れて皮下注射針のターゲット組織をローカライズするために (EIS) センサーは、針上の EIS (永劫)6として導入されています。EIS センサーは DNA 検出7,8,9, 細菌/ウイルス検出10、11,12 などの医用工学の分野で利用されています。、および細胞/組織13,14,15,16,17,18,19,20の分析,21,22.、イーオンを異種材料の電気伝導度、誘電率に基づいた周波数領域で区別します。リン酸緩衝生理食塩水 (PBS)23、豚脂肪/筋肉組織6、23、およびもヒト腎正常/癌組織24 の様々 な濃度にイーオンの弁別能力を検証しました ,25。イーオンのこの機能は、かなり標的病変組織と正常組織との間の電気インピー ダンスの違いによる標的組織を配置することによって生検の精度を向上させると予想されます。同様に、薬剤注入間の電気インピー ダンスの調査の違いスペース (脊椎または硬膜外スペース) と正確なターゲットの場所に麻酔薬を提供医師を助けることができる周囲の組織。さらに、イーオンは電気などとして多く正常組織として維持するために、腎部分切除術、腫瘍の切除を伴う手術中に最適な外科的マージンを確認するに同様に脳・筋を刺激するために利用できます。可能。

イーオンの実現における最大の課題の 1 つは、小さな曲率半径を有する注射針の曲面上の電極の作製です。フォトリソグラフィー プロセスを使用して直接金属パターン形成は、数ミリメートルの直径を持つ湾曲した基板上の微小電極の作製には不向き、または以下と見なされています。等角印刷26、柔軟性など、さまざまな方法が乾燥膜フォトレジスト27、マイクロ流体法28、ナノイン プリント ・ リソグラフィ ・29と基板回転露光30、されているところ、曲面上の金属/樹脂パターンを作製を紹介しました。しかし、直径 1 mm 未満、20 mm 以上の合計電極長さ必要な基板など、イーオンの要件に起因する制限、幅、数十マイクロメートル、および大量生産に至るまでの電極のギャップはまだ。

本研究で注射針の湾曲した表面に微小電極を実現するフォトレジスト スプレー コーティングと柔軟なフィルム フォトマスクを用いて直接金属パターンを提案する.針の直径は 720 μ m (22-ゲージ)、生検と病院で薬物送達のため広く用いられているほどです。本加工法の生産量も手頃な価格で大量生産の可能性を決定する評価されます。

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プロトコル

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1. 注射針の絶縁

注: 直径 720 μ m, 長さ 32 mm は、注射針の電気絶縁用透明熱収縮チューブ (HST) を採用します。ハッブル宇宙望遠鏡は、ポリエチレンテレフタ レート (PET)、ほとんどの酸に対する耐薬品性を示し、拠点を機械的耐久性と生体適合性製です。初期の内径とハッブル宇宙望遠鏡の壁の厚さは、それぞれ 840 μ m、25 μ m。高温でさらに大きな削減を 100 ° C の温度で 50% 以上減少する傾向にあるハッブル宇宙望遠鏡の直径 190 ° C までペット HST が完全に堅く、堅い硬化時になるプロパティを持つ熱硬化性材料であることに注意してください。注射針、収縮チューブのサイズは、研究の目的とアプリケーションに応じて調整できます。全体の製造プロセスは図 1にグラフィカルに集約されます。

  1. ハッブル宇宙望遠鏡の 3 cm。 調整の長さに注射針の浸透深さによって管の長さをカットします。
  2. カット ハッブル宇宙望遠鏡に注射針を挿入します。
  3. 脱水は 105 ° c (手順 1.6) でクリーニング プロセスで実施する場合、不要な追加の収縮を防ぐために設定されている 150 の ° C の温度で熱銃を使用してチューブを縮小します。
  4. そのハブから注射針を分離します。
  5. 30 kHz、出力 350 W の超音波攪拌を伴う脱イオン (DI) 水浴 (20 ° C) のハッブル宇宙望遠鏡による絶縁注射針をきれい。
  6. 105 ° c 10 分ホット プレートにハッブル宇宙望遠鏡によって絶縁されて注射針を退避します。

2. Au 蒸着スパッタリングによる

注: この研究では、使用可能なスパッタ リング プロセスが使用されて電極の Au 層を沈殿物電子ビーム蒸発のプロセスは、別の方法をすることができます。それは、スパッタ リング プロセスのほとんどによる温度上昇がハッブル宇宙望遠鏡の追加の収縮を引き起こすことが確認されています。しかし、数分以上続くプロセスは、初期収縮温度上 HST を熱かもしれない。先端から加工マージンの増加の結果、ハッブル宇宙望遠鏡の追加の収縮があります。

  1. ハッブル宇宙望遠鏡は Cr/Au 蒸着用両面テープを使用してスライド グラス上に並んでによって絶縁されて洗浄の皮下注射針を配置します。
  2. スパッタリング装置を使用して、ハッブル宇宙望遠鏡によって絶縁されて洗浄の皮下注射針の Cr/Au を入金します。
    注: この場合、Cr と Au の厚さが 10 nm と 100 nm、それぞれ (ハッブル宇宙望遠鏡と Au 層間の接着層は、Cr が使用された)。
    1. 生産コストと生産時間を短縮するために可能な限り多くの針を配置します。預金 10 以下スパッタ条件を使用する Cr nm と 100 nm Au。
    2. Cr スパッタ、設定クロム ターゲット直径: 4 インチ、高周波電力: 300 W、アルゴン圧力: 5 mTorr とシャッターが開く時間: 20 s (10 nm)。
    3. Au スパッタリング、使用 Au ターゲット直径: 4 インチ、DC 電源: 300 W、アルゴン圧力: 10 mTorr とシャッターが開く時間: 80 s (100 nm)。

3. スプレー塗装

注: 低粘度 (14 cp) フォトレジストは噴霧効率を高めるためにスプレー コーティング プロセスであります。フォトレジストは Au スパッタ針の針が加熱されるときにのみ簡単にコーティングすることができます。

  1. 両面テープを使用してスライド ガラスに Au スパッタ皮下注射針の一つを修正します。
  2. 100 ° C に加熱されてスプレーコーターのチャックにスライド グラスを置く2-3 分待ってから針が十分に加熱します。
  3. 100 ° C で針を加熱しながら Au スパッタ針のフォトレジストをスプレーします。次の条件を使用してスプレー塗装プロセスを実行します。セット ノズル径: 400 μ m、ノズル移動速度: 70 mm/s、噴霧圧力: 500 kPa とチャックとノズル間の距離: 13.5 cm。
  4. スプレー塗装が完了したら、ソフト焼成プロセスを実行する 3 分間 100 ° C でチャックにスライド ガラスを残します。
  5. フォトレジストは Au スパッタ針に均一に塗布したかどうかを決定する顕微鏡の 100 倍の倍率に設定を使用して結果を確認します。

4. 紫外線暴露と開発

注: 一般的に、紫外線照射前に柔軟なフィルム フォトマスク プレートに取り付け、フラット透明フォトマスクと紫外線にさらされるサンプルの間のエアー ギャップを削除します。ただし、この研究では、フォトマスクは、フラット透明プレートなし直接金属の湾曲した注射針の表面パターン形成を実現するために使用されます。フォトマスクが地域において最高の接触のアライナと実現可能な解像度のパターン化を達成するために注射針の曲線に沿って曲がっています。曲げフォトマスクと注射針の湾曲した表面の接触面積をできるだけ大きく保つために柔軟なフォトマスクをことができます。ぬれたエッチングの金属を考慮したパターン形成のプロセス (リフトオフ プロセスではなく) を取って、ポジ型フォトレジストの使用は、ネガ型フォトレジストの使用よりも有利です。これは、電極パターンを除く全域が透明、針の中心に電極パターンを容易に合わせて広い視野を提供するためです。

  1. ウェッジ エラーを最小化、それは完全に固定のフォトマスク固定プレートが接触するまでゆっくりと可動サンプル保持プレートを持ち上げます。空気圧のポンプを使用してサンプル保持板を固定します。
    1. おそらく空気ギャップの紫外線の散乱によって形成され、サンプルとフォトマスクの不完全な接触によって引き起こされる可能性のある好ましくないパターンを避けるためにこのプロセスを実行します。
      注: また、ウェッジ エラーの最小化により、フォトレジスト コーティング注射針が動かない次の配置手順でフィルム フォトマスクに接続するときにもかかわらず、注射針の接触面は円形。
  2. アライナのサンプル保持板にフォトレジスト コーティング注射針を配置します。
  3. 映画フォトマスクの配置パターンとレジスト コーティング注射針の投影画像を合わせます。
    注: この場合、フィルム フォトマスクの配置パターンは、ハッブル宇宙望遠鏡とフォトレジスト コーティングの厚さを考慮した、800 μ m の距離で 2 本の平行線として設計されました。
    1. フォトマスク (図 1e); 2 つの平行ラインに投影されたイメージの 2 つの境界線を配置します。したがって、フォトレジスト コーティング皮下注射針は、10 μ m 以下の配置エラーで 2 つの平行ラインの中央に配置できます。
    2. 配置プロセスを監視、電荷結合素子 (CCD) カメラと顕微鏡に接続してディスプレイ モニターを通じてリアルタイムで。
  4. フォトマスクに向かって針をゆっくりと持ち上げてフォトレジスト コーティング注射針固定の柔軟なフォトマスクとの接触をもたらします。
  5. 30 の紫外線露出を行う s (UV 強度: 15 mJ/cm2) 3 分の開発プロセスによってこれに従うと。
  6. 純水を使用してサンプルの開発者をすすいでください。
  7. フォトレジストは Au スパッタ注射針に明確にパターンかどうかを決定するために 200 倍の倍率設定顕微鏡を通して結果を検査します。露出したフォトレジストが開発プロセスの後に完全に削除されていない場合は、30 秒間隔で開発プロセスを繰り返します。

5. Cr/Au ウェット エッチング

注意: 皮膚/眼を避ける Cr と Au の湿潤腐食液との接触。

  1. スライド ガラスに固定されたサンプル (フォトレジスト パターン注射針) をデタッチするのにピンセットを使用します。
  2. サンプルを 1 分 Au ウェット エッチング液に浸します。
  3. 純水を使用してサンプルのうち Au エッチング液を洗い流してください。
  4. 200 X 倍率に顕微鏡を使って結果を検査します。まだ削除されてに金に残ります、ウェット 10 秒間隔でエッチングを繰り返します。過度に長いウェット エッチング時間は櫛型電極 (IDE) を薄く作る。
  5. 30 Cr エッチング液に試料を浸す s。
  6. 純水を使用してサンプルから Cr エッチング液を洗い流してください。

6. 残留フォトレジストとパッシベーションの除去

  1. サンプル (注射針の金属パターン) を 1 分のアセトン溶液に浸漬します。
  2. DI 水でサンプルを洗い、105 ° C 10 分のホット プレートに退避。
  3. 接続線の電気パッシベーションのカット シュリンク チューブ、2-3 mm (20 mm、最大の深さに浸透する) 電極より長いハッブル宇宙望遠鏡は縮小後は、ハッブル宇宙望遠鏡の長さが差し引かれますので、図 2に示すよう。
  4. ハッブル宇宙望遠鏡は、IDE の端から可能な限りの位置後、150 ° C で熱銃を使用するしっかりと針に HST の温度を上げます。

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結果

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櫛型電極 (Ide)、図 2で示すように、電極の他の図形と比較して限られた表面に大きい効果的な検出エリアにあります。Ide の全体の長さは 860 μ m 検出、生検や薬物の配信手順で高位置決め精度を提供する尖頭で 1 mm 間隔以下でインピー ダンス変化を分析して設計されています。Ide の幅の合計は、提案のフォトリソグラフィ プロセスを使用して、注射針の曲面上の幾何学的実現可能なディメンション 400 μ m です。Ide の幅と隙間が 20 μ m、市販のフィルム フォトマスクの最小寸法に近いほど。尖頭にイーオンの最大浸透深さは、甲状腺・前立腺生検と脊髄くも膜下麻酔を考慮した 20 mm に設計されています。イーオンの合計の長さは、アプリケーションに応じて調整できます。

Ide が 720 の直径で注射針の先端で製造されます正常に図 3

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ディスカッション

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スプレー コーティングとフィルム フォトマスクを使用してそれの写真平版は 1 mm 以下の細径注射針の曲面に微細 Ide を作製する実行可能な方法を行った。幅と Ide のギャップの低として 20 μ m、先端から加工余白が 680 μ m ほど。、プロトコルの中でくさびエラー除去などの配置プロセスが重要です。イーオンは、厳格な配置プロセスを個別に製造された時、生産量は 90% であった以上。これは提案工法が手頃な価格で大量生産のために開発される可能性であることを示します。

イーオンの識別能力は、PBS、豚脂肪/筋肉組織もヒト腎組織6,23,24以前確認されました。1 つの臨床応用は、正常及び病変組織25間の外科的マージンを検出することにより可能な限り多くの正常組織として維持するために腫瘍の切除を含む手術です。さらに、イーオンは、甲状腺・前立腺生検や...

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開示事項

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著者が明らかに何もありません。

謝辞

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この作品は、2017 年に gist 補助金を通じて「生物医学統合研究」プロジェクトによって支えられました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
熱収縮チューブVENTION MEDICAL, Inc.103-0655
皮下注射針(22G)和神メディカル(株)http://www.hwajinmedical.com
ヒートガンウェラーWHA600http://www.weller-tools.com/en/Home.html
超音波洗浄機和信楽器(株)POWERSONIC 620-http://www.hwashin.net
ホットプレートAS ONE株式会社006560
スパッタリングA-Tech System. Ltd.ATS/SPT/0208Fhttp://www.atechsystem.co.kr
スライドガラスPaul Marienfeld GmbH & Co. KG1000412
スプレーコーターLITHOTEKLSC-200
フォトレジストAZ 電子材料GXR 601http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html
現像液(溶液)AZ 電子材料MIF300http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html
アライナーミダスシステム(株)MDA-400Mhttp://www.midas-system.com
顕微鏡ニコン株式会社L200http://www.nikonmetrology.com
Auウェットエッチング剤トランセン株式会社Auエッチング液タイプTFAhttp://transene.com
Crウェットエッチング液KMGエレクトロニック。ケミカルズ株式会社CR-7http://kmgchemicals.com
Auターゲット薄膜・ファインマテリアル-http://www.thifine.co.kr
Crターゲット薄膜・ファインマテリアルhttp://www.thifine.co.kr
アルゴンガス (99.999%)SINILガスCo.Ltd-http://www.sigas.kr
アセトン溶液OCI株式会社http://www.ocicorp.co.kr/company/index.asp
インピーダンス分析器Gamry Instruments IncReference 600https://www.gamry.com
Height ControllerMitutoyo Corporation192-613
Phosphate buffered salineLife Technologies Corporation10010023

参考文献

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