Fabricage en karakterisering van een Conformal Skin-achtige Electronic System for Quantitative, Cutane Wound Management

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen van een huidachtig elektronisch apparaat voor kwantitatief cutaan wondbeheer. Dit wordt bereikt door eerst een elektronisch apparaat te ontwikkelen op een dragsubstraat. De tweede stap is het voorbereiden van een elastomeer membraan om de elektronica in in te bedden.

Vervolgens worden de gefabriceerde elektronica uit hun fabricageverbinding gehaald en overgebracht op het membraan. De laatste stappen bestaan uit het inkapselen van de elektronica met een siliconencoating en het aansluiten van een flexibele kabel voor gegevensverwerving. Het voltooide apparaat wordt gelamineerd nabij het wondweefsel van een patiënt om tijd, variërende temperatuur en de thermische geleidbaarheid van het weefsel te monitoren als onderdeel van het wondbeheer.

Het belangrijkste voordeel van dit apparaat ten opzichte van bestaande instrumenten die gebaseerd zijn op microscopische visuele inspecties, is dat het multifunctionele kwantitatieve monitoring van de temperatuur en thermische geleidbaarheid nabij het wondweefsel kan bieden. Het zachte, biocompatibele en op de huid draagbare apparaat beschikt over de functies en kenmerken voor gebruik in klinische omgevingen en heeft een groot potentieel om belangrijke kwesties bij het beheer van chronische wonden aan te pakken. Dit spincoating-protocol kan worden uitgevoerd op siliciumwafers van elke gewenste grootte.

Begin met het ontvetten van de wafers met aceton en isopropylalcohol. Spoel ze vervolgens af met gedeïoniseerd water en droog ze onder stikstof. Dehydrateer de wafer gedurende drie minuten op een warmteplaat ingesteld op 110 °C.

Spin-coat nu vijf gram PDMS op de wafers bij 3000 RPM gedurende een minuut; voltooi het proces door de wafers een half uur te uitharden op een hotplate ingesteld op 150 °C. Behandel de met PDMS gecoate wafers drie minuten lang met UV-licht en spin-coat vervolgens polyamide op de wafers. Breng met een pipet twee ml aan en spin dit gedurende een minuut bij 4000 RPM voor een laag van 1,2 µm.

Bak de wafers vervolgens voor op een warmteplaat bij 150 °C gedurende vijf minuten en bak ze daarna in een oven bij 250 °C gedurende twee uur. Gebruik vervolgens een elektronenstraalevaporatie-apparaat om een 20 nm dikke laag chroom aan te brengen voor de hechting, gevolgd door een 3 µm dikke laag koper voor de geleidbaarheid. Spin daarna twee mL fotoresist in drie stappen op de wafers om een laag van minder dan 10 µm te verkrijgen.

Hard nu de wafers uit op een warmteplaat van 75 °C gedurende 30 minuten. Gebruik vervolgens een UV-aligner bij 10 milliwatts per second om het koperen elektronische patroon te centreren op de wafer. Gebruik een belichtingstijd van 25 seconden.

Een fractaal patroon wordt gebruikt om sensoren te maken en een open raster wordt gemaakt voor de onderlinge verbindingen. Ontwikkel de fotorezist gedurende één minuut in een 33% ontwikkelaaroplossing. Spoel de chips vervolgens af met gedeïoniseerd water en droog ze onder een stroom stikstof.

Controleer vóór het vervolg de patronen onder een microscoop op defecten. Ets vervolgens het koper op de wafer door deze zes minuten in een chemisch etsbad te plaatsen. Spoel de wafers na het etsen af en droog ze.

Controleer, zoals voorheen, de geëtste patronen onder een microscoop; een overëtsting van meer dan 20% van de koperen leidingen leidt tot mechanische defecten. Gebruik vijf minuten reactieve ionenetsing om de chroomlaag te etsen. Verwijder na controle van de etsing de resterende fotolak met 10 milliliters aceton, gevolgd door 10 milliliters isopropanol.

En ten derde, 20 milliliters gedeïoniseerd water. Volg de baden door de wafers te drogen onder een stroom stikstof. Maak voor dit protocol 10 grams van een inkapselend siliconenmengsel voor het doelmateriaal waarop de elektronica zullen worden overgebracht op een 10 centimeter brede Petrischaal.

Breng acht gram van het mengsel aan via spin-coating bij 150 RPM gedurende één minuut voor een siliconenlaag van een halve millimeter. Laat dit gedurende de nacht uitharden bij kamertemperatuur.

Bevestig vervolgens stukken wateroplosbare tape op maat op de patroonchips om als laminaatoppervlak voor de elektronische patronen te dienen. Verhit de wafers na het aanbrengen van de tape drie minuten lang bij 130 °C. Trek daarna de tape snel af om de elektronica los te maken en over te brengen naar de opvangpatronen.

Gebruik e-beam evaporatie om 20 nanometers chroom te depositeren voor extra adhesie. Depositeer vervolgens 50 nanometers siliciumdioxide op de chroomlaag. Haal nu de siliciumlaag op en behandel deze gedurende twee minuten met 365 nanometer UV-licht bij 8,9 milliwatts per vierkante centimeter.

Dit activeert het oppervlak met de geactiveerde siliconen. Druk de teruggewonnen elektronica in de siliconen en verspreid deze gelijkmatig over het doelmateriaal. Behandel de tape vervolgens met water om deze op te lossen en verwijder de tape na vijf minuten.

Spoel de siliconen vervolgens af met gedeïoniseerd water en droog deze gedurende één minuut op een warmteplaat van 90 °C. Om het apparaat te maken, begint u met het bedekken van de contactpads met een rechthoekig stuk PDMS door middel van Vanderwaalskrachten. Ga nu over naar de overdrachtselektronica en spin 5 g van het ingekapselde siliconenmengsel gedurende één minuut bij 4.000 RPM.

Dit vormt een laag van vijf micron dik, die gedurende de nacht bij kamertemperatuur wordt uitgehard. Reinig de sensorpads de volgende dag gedurende drie seconden met een halve milliliter vloeibaar staalflux. Bond vervolgens een flexibele lintkabel aan de contactpunten met druk en hitte van meer dan 60 °C.

Controleer de verbindingen met een multimeter. De weerstand tussen het sensorpad en de foliekabel over een afstand van één centimeter moet minder dan één ohm zijn; bevestig het andere uiteinde van de lintkabel op dezelfde wijze aan een op maat gemaakte printplaat. Verbind het apparaat tot slot met de hardware voor gegevensacquisitie door conventionele draden aan de PCB te solderen.

Met behulp van het beschreven protocol is het elektronische sensormiddel vervaardigd. De flexibiliteit van het apparaat is onderzocht. Er trad geen mechanische breuk op onder trekspanning en het apparaat was functioneel.

De weerstand op zes sensorlocaties werd gemeten met behulp van een precisie-warmteplaat. Er was sprake van een lineair verband, wat aantoont dat de sensoren goed gekalibreerd waren voor het detecteren van subtiele temperatuurveranderingen. Daarnaast werd een aangepast three omega-signaal gebruikt om de thermische geleidbaarheid van het apparaat in een klinische setting te evalueren.

Het apparaat werd gebruikt om de wondgenezing na de operatie tot een maand lang te monitoren. Zo werd de temperatuur van het wondgenezingsproces gemeten. Op dag drie was er sprake van een intense ontsteking op de plaats van de wond, wat wordt weerspiegeld door de temperatuurpiek die door het apparaat werd gemeten.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u een conform schemisch elektrisch apparaat kunt vervaardigen voor kwantitatief wondbeheer bij patiënten.