定量的、皮膚が創傷管理のためのコンフォーマルスキンのような電子システムの作製と評価

この手順の全体的な目的は、定量的な皮膚創傷管理のための皮膚のような電子デバイスを作製することです。これは、まずキャリア基板上に電子デバイスを開発し、次に電子デバイスを埋め込むためのエラストマー膜を準備することによって達成されます。

次に、作製した電子デバイスを製造用化合物から回収し、メンブレン上に転写します。最終工程として、電子デバイスをシリコンコーティングで封止し、データ収集用のフレキシブルケーブルを接続します。完成したデバイスを患者の創傷組織付近にラミネートし、創傷管理の一環として、時間、変動する温度、および組織の熱伝導率をモニタリングします。

顕微鏡による視覚的検査に基づいた既存のツールに対する本デバイスの主な利点は、創傷組織近傍の温度および熱伝導率の多機能かつ定量的なモニタリングが可能である点です。柔軟で生体適合性があり、皮膚に装着可能なこのデバイスは、臨床現場での使用に適した機能と特性を備えており、慢性創傷管理における重要な課題を解決する大きな可能性を秘めています。このスピンコーティングプロトコルは、あらゆるサイズのシリコンウェハーで実施可能です。

まず、アセトンとイソプロピルアルコールでウェハの脱脂を行います。その後、脱イオン水で洗浄し、窒素気流下で乾燥させます。110 °Cに設定したホットプレート上で、ウェハを3分間脱水します。

次に、5 gのPDMSをウェハー上に3000 RPMで1分間スピンコートします。その後、150 °Cに設定したホットプレート上で30分間キュアリングを行い、工程を完了させます。PDMSコート済みウェハーを3分間UV処理した後、ポリアミドをウェハーにスピンコートします。ピペットで2 mLを塗布し、4,000 RPMで1分間回転させ、1.2 µmの層を形成します。

次に、ウェハをホットプレートを用いて150 °Cで5分間プリベイクし、その後、オーブンを用いて250 °Cで2時間ベイクします。続いて、電子ビーム蒸着装置を用いて、密着層として20 nm厚のクロムを、次いで導電層として3 µm厚の銅を堆積させます。次に、ウェハ上にフォトレジストを2 mL、3段階でスピンコートし、10 µm以下の層を形成します。

次に、ウェハを75 °Cのホットプレートで30分間キュアします。続いて、10 mW/sのUVアライナーを用いて、銅の電子パターンをウェハの中央に合わせます。露光時間は25秒に設定してください。

センサーの作製にはフラクタルパターンを用い、相互接続部にはオープンメッシュを形成します。33%現像液で1分間、フォトレジストを現像します。その後、チップを脱イオン水で洗浄し、窒素気流下で乾燥させます。

次に進む前に、顕微鏡でパターンに欠陥がないか確認します。次に、化学エッチング液に6分間浸し、ウェハー上の銅をエッチングします。エッチング後、ウェハーをすすいで乾燥させます。

前と同様に、顕微鏡でエッチングパターンを確認します。銅リードの20%を超えるオーバーエッチングは機械的故障につながります。クロム層をエッチングするには、5分間の反応性イオンエッチングを行います。エッチングを確認した後、10 millilitersのアセトンを用いて残っているフォトレジストを除去し、続いて10 millilitersのイソプロパノールで洗浄します。

そして3点目に、20 millilitersの脱イオン水を使用します。バス処理の後、窒素気流下でウェハーを乾燥させます。本プロトコルでは、電子回路を転写するターゲット材料用に、封止用シリコーン混合物を10 grams作成し、10 centimeter幅のペトリ皿に準備します。

混合物 8 g を 150 RPM で 1 分間スピンコートし、0.5 mm のシリコンコーティングを形成します。これを室温で一晩硬化させます。

次に、電子パターン用のラミネート表面として機能させるため、サイズを合わせた水溶性テープをパターンチップに貼り付けます。テープを貼り付けた後、ウェハーを130 °Cで3分間加熱します。その後、テープを急速に剥がして、回収パターン上の電子部品を分離・回収します。

電子ビーム蒸着法を用いて、密着性を高めるために20 nanometersのクロムを堆積させます。次に、クロム層の上に50 nanometersの二酸化ケイ素を堆積させます。その後、シリコン層を取り出し、8.9 milliwatts per square centimeterの強度で365 nanometerのUV光を2分間照射して処理します。

これにより、シリコンが活性化し、表面が処理されます。回収した電子デバイスをシリコンに押し込み、ターゲット材料上に均等に広げます。次に、テープを水で処理して溶解させ、5分後にテープを剥がします。

次に、シリコンを脱イオン水で洗浄し、90 °Cのホットプレート上で1分間乾燥させます。デバイスを作製するために、まずファンデルワールス力による接合を用いて、長方形のPDMSでコンタクトパッドを覆います。続いて転写用電子回路の作製に移り、カプセル化されたシリコン混合物5 gを4,000 RPMで1分間スピンコートします。

これにより厚さ5 µmの層が形成され、これを室温で一晩キュアさせます。翌日、センサーパッドを0.5 mLの液体スチールフラックスで3秒間洗浄します。その後、60 °C以上の圧力と加熱を用いて、フレキシブルリボンケーブルを接点に接合します。

マルチメーターを使用して接続を確認します。センサーパッドとフィルムケーブルの1 cm離れた地点間の抵抗値が1 Ω未満であることを確認し、リボンケーブルのもう一方の端も同様にカスタム回路基板に接合します。最後に、PCBに一般的な配線をはんだ付けし、デバイスをデータ収集ハードウェアに接続します。

記載されたプロトコルを用いて、電子センサデバイスを作製した。デバイスの柔軟性を検討したところ、引張歪みによる機械的な破断は起こらず、デバイスは機能した。

高精度ホットプレートを用いて、6箇所のセンサー位置における抵抗値を測定しました。その結果、センサーがわずかな温度変化を検出するように適切に校正されていることを示す線形関係が認められました。さらに、臨床現場においてデバイスを用いて熱伝導率を評価するため、適合させた3オメガ信号が使用されました。

このデバイスを用いて、術後の創傷治癒を最大1か月間にわたってモニタリングしました。これにより、創傷治癒過程における温度を測定しました。3日目には創傷部位に激しい炎症が見られ、それはデバイスで測定された温度の急上昇に反映されています。

このビデオを視聴することで、患者の定量的な創傷管理のためのコンフォーマル・スキミック電気デバイスを作製する方法について、十分に理解できるはずです。