Wytwarzanie i charakterystyka konforemnego, przypominającego skórę elektronicznego systemu do ilościowego leczenia ran skórnych
2 września 2015
Ten artykuł przedstawia metody wytwarzania i charakteryzowania konformalnego, podobnego do skóry systemu elektronicznego oraz protokoły do wykorzystania w zastosowaniach klinicznych, szczególnie w leczeniu ran skórnych.
Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie elektronicznego urządzenia przypominającego skórę do ilościowego leczenia ran skórnych. Osiąga się to poprzez najpierw opracowanie urządzenia elektronicznego na podłożu nośnym. Drugim krokiem jest przygotowanie membrany elastomerowej do osadzenia elektroniki.
Następnie wytworzone urządzenia elektroniczne są odzyskiwane ze związku produkcyjnego i przenoszone na membranę. Ostatnim krokiem jest otoczenie elektroniki powłoką silikonową i podłączenie elastycznego do akwizycji danych. Gotowe urządzenie jest laminowane w pobliżu tkanki rany pacjenta w celu monitorowania czasu, zmiany temperatury i przewodności cieplnej tkanek podczas leczenia rany.
Główną przewagą tego urządzenia nad istniejącymi narzędziami opartymi na mikroskopowych oględzinach wizualnych jest to, że może zapewnić wielofunkcyjne ilościowe monitorowanie temperatury i przewodności cieplnej w pobliżu tkanki rany. Miękkie, biokompatybilne i nadające się do noszenia na skórze urządzenie zapewnia funkcje i cechy do stosowania w warunkach klinicznych i ma ogromny potencjał w rozwiązywaniu ważnych problemów związanych z leczeniem ran przewlekłych. Ten protokół powlekania wirowego można wykonać na płytkach krzemowych o dowolnym rozmiarze.
Na początek odtłuść wafle acetonem i alkoholem izopropylowym. Następnie opłucz je w wodzie dejonizowanej i wysusz pod azotem. Odwadniaj wafel przez trzy minuty na gorącej płycie ustawionej na 110 stopni Celsjusza.
Teraz obróć pięć gramów PDMS na waflach z prędkością 3000 obr./min Przez minutę zakończ proces, utwardzając wafle na gorącej płycie ustawionej na 150 stopni Celsjusza przez pół godziny. Po poddaniu działaniu promieniowania UV wafli powlekanych PDMS przez trzy minuty, należy odwirować poliamid na płytkach. Nałóż dwa mililitry za pomocą pipety i wiruj z prędkością 4 000 obr./min przez minutę, aby uzyskać warstwę o grubości 1,2 mikrona.
Następnie wstępnie upiecz wafle na gorącej płycie w temperaturze 150 stopni Celsjusza przez pięć minut i piecz je w piekarniku w temperaturze 250 stopni Celsjusza przez dwie godziny. Następnie, używając osadu parowania wiązki elektronów, warstwy chromu o grubości 20 nanometrów do adhezji, a następnie warstwy miedzi o grubości trzech mikronów do przewodności. Następnie nanieś dwa mililitry fotorezystu na płytki w trzech krokach, uzyskując warstwę poniżej 10 mikronów.
Teraz utwardź wafle na płycie grzejnej o temperaturze 75 stopni Celsjusza przez 30 minut. Następnie użyj nakładki UV o mocy 10 miliwatów na sekundę, aby wyśrodkować miedziany wzór elektroniczny do płytki. Użyj czasu naświetlania wynoszącego 25 sekund.
Wzór fraktalny jest używany do tworzenia czujników, a dla połączeń tworzona jest otwarta siatka. Rozwiń rezystancję zdjęciową w rozwiązaniu deweloperskim 33% przez jedną minutę. Następnie opłucz frytki wodą dejonizowaną i wysusz je pod strumieniem azotu.
Zanim przejdziesz dalej, sprawdź wzory pod mikroskopem pod kątem wad. Następnie wytrawić miedź na płytce za pomocą sześciominutowej kąpieli w trawieniu chemicznym. Po wytrawieniu opłucz i wysusz wafle.
Tak jak poprzednio, sprawdź wytrawione wzory pod mikroskopem większe niż 20% nadmierne trawienie miedzi prowadzi do uszkodzeń mechanicznych. Aby wytrawić warstwę chromu, użyj pięciu minut reaktywnego trawienia jonowego. Po sprawdzeniu wytrawienia usuń pozostałe fotorezystu za pomocą 10 mililitrów acetonu, a następnie 10 mililitrów izopropanolu.
I po trzecie, 20 mililitrów wody dejonizowanej. Postępuj zgodnie z kąpielami, susząc wafle pod strumieniem azotu. W przypadku tego protokołu należy przygotować 10 gramów kapsułkującej mieszaniny silikonu dla materiału docelowego, na który elektronika zostanie przeniesiona na szalkę Petriego o szerokości 10 centymetrów.
Wiruj płaszcz, osiem gramów mieszanki przy 150 obr./min przez minutę. Do półmilimetrowej powłoki silikonowej. Pozostaw to na noc do utwardzenia w temperaturze pokojowej.
Następnie przymocuj kawałki taśmy rozpuszczalnej w wodzie o dużych rozmiarach do wiórów wzoru, aby działały jako powierzchnia laminatu dla wzorów elektronicznych. Po przyklejeniu taśmy podgrzewaj wafle przez trzy minuty w temperaturze 130 stopni Celsjusza. Następnie szybko odklej taśmę, aby odłączyć i odzyskać elektronikę na wzorce odzyskiwania.
Użyj parowania wiązką elektronów, aby nałożyć 20 nanometrów chromu w celu uzyskania dodatkowej przyczepności. Następnie nałóż 50 nanometrów dwutlenku krzemu na warstwę chromu. Teraz wyjmij warstwę silikonu i potraktuj ją światłem UV o długości 365 nanometrów przez dwie minuty o mocy 8,9 miliwata na centymetr kwadratowy.
To aktywuje powierzchnię z aktywowanym silikonem. Wciśnij pobraną elektronikę w silikon, rozprowadź ją równomiernie na materiale docelowym. Następnie potraktuj taśmę wodą, aby ją rozpuścić, a po pięciu minutach oderwij taśmę.
Następnie spłucz silikon wodą dejonizowaną i susz na płycie grzejnej o temperaturze 90 stopni Celsjusza przez minutę. Aby stworzyć urządzenie, zacznij od pokrycia pól stykowych prostokątnym kawałkiem PDMS za pomocą siły wiązania Vandera Walla. Teraz na elektronice transferowej spinco pięć gramów kapsułkowanej mieszanki silikonu przy 4 000 obr./min przez minutę.
W ten sposób powstaje warstwa o grubości pięciu mikronów, która jest utwardzana przez noc w temperaturze pokojowej. Następnego dnia wyczyść podkładki czujników pół mililitra płynnego topnika stalowego przez trzy sekundy. Następnie podłącz elastyczny taśmowy do punktów styku pod ciśnieniem i ciepłem przekraczającym 60 stopni Celsjusza.
Sprawdź połączenia za pomocą multimetru. Rezystancja między podkładką czujnika a foliowym oddalonym od siebie o jeden centymetr powinna być mniejsza niż om, aby w ten sam sposób połączyć drugi koniec taśmowego z niestandardową płytką drukowaną. Na koniec podłącz urządzenie do sprzętu do akwizycji danych, przylutowując konwencjonalne przewody do płytki drukowanej.
Korzystając z opisanego protokołu, wyprodukowano czujnik elektroniczny. Zbadano elastyczność urządzenia. Nie doszło do pęknięcia mechanicznego pod wpływem naprężeń rozciągających, a urządzenie było sprawne.
Rezystancja w sześciu lokalizacjach czujników została zmierzona za pomocą bardzo precyzyjnej płyty grzejnej. Istniała liniowa zależność pokazująca, że czujniki były dobrze skalibrowane do wykrywania subtelnych zmian temperatury. Ponadto wykorzystano dostosowany sygnał trzech omega do oceny przewodności cieplnej za pomocą urządzenia w warunkach klinicznych.
Urządzenie służyło do monitorowania gojenia się ran po operacji przez okres do miesiąca. W ten sposób zmierzono temperaturę procesu gojenia się ran. W trzecim dniu wystąpił intensywny stan zapalny w miejscu rany, co znajduje odzwierciedlenie w skoku temperatury zmierzonym przez urządzenie.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wyprodukować konforemne urządzenie elektryczne do ilościowego leczenia ran u pacjentów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule przedstawiono metody wytwarzania i charakteryzacji konformalnego, przypominającego skórę systemu elektronicznego do zastosowań klinicznych, w szczególności w zarządzaniu ranami skórnymi. Urządzenie zostało zaprojektowane do monitorowania różnych parametrów związanych z gojeniem ran.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Leczenie ran
- Urządzenia elektroniczne
Wprowadzenie
- Elektroniczne urządzenia przypominające skórę mogą usprawnić opiekę nad pacjentem.
- Monitorowanie gojenia ran jest kluczowe dla skutecznego leczenia.
- Istniejące metody mogą nie zapewniać akwizycji danych w czasie rzeczywistym.
- Postępy w nauce o materiałach umożliwiają zastosowanie nowych technik wytwarzania urządzeń.
Cel badania
- Opracowanie przypominającego skórę urządzenia elektronicznego do ilościowego zarządzania ranami skórnymi.
- Zapewnienie monitorowania stanu ran w czasie rzeczywistym.
- Poprawa wyników klinicznych dzięki usprawnionej zbiórce danych.
Zastosowane metody
- Wytwarzanie urządzenia elektronicznego na podłożu nośnym.
- Przygotowanie membrany elastomerowej do osadzenia elektroniki.
- Transfer wytworzonej elektroniki na membranę.
- Zamknięcie elektroniki w powłoce silikonowej i podłączenie elastycznego kabla do akwizycji danych.
Główne wyniki
- Urządzenie skutecznie monitoruje czas, temperaturę oraz przewodność cieplną tkanki.
- Osiągnięto akwizycję danych w czasie rzeczywistym podczas pielęgnacji rany.
- Elektroniczny system przypominający skórę wykazał kompatybilność z tkanką rany.
- Zastosowania kliniczne zostały zwalidowane w testach wstępnych.
Wnioski
- Opracowane urządzenie oferuje nowatorskie podejście do leczenia ran.
- Monitorowanie w czasie rzeczywistym może prowadzić do lepszych wyników leczenia pacjentów.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć zakres zastosowań klinicznych tej technologii.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowe, przypominające skórę systemy elektroniczne do opracowywania ran odpowiadają na potrzebę obiektywnego monitorowania gojenia skóry w czasie rzeczywistym, zmniejszając zależność od subiektywnej oceny wizualnej. Technologia ta umożliwia precyzyjny pomiar temperatury oraz przewodności cieplnej w miejscu rany, co zwiększa pewność prognostyczną w kwestii postępów gojenia i czasu interwencji. Integracja takich urządzeń z procesami badawczo-rozwojowymi zwiększa ciągłość translacyjną od prototypowania urządzeń do walidacji klinicznej.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia obiektywną ocenę dynamiki gojenia ran poprzez ilościowe pomiary termiczne i przewodności.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez korelację zmian fizjologicznych z odczytami urządzenia.
- Ułatwia funkcjonalną walidację celów gojenia ran w warunkach przedklinicznych i klinicznych.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia zestandaryzowaną, powtarzalną platformę do oceny interwencji w procesie gojenia ran.
- Dostarcza ilościowe wyniki odpowiednie do analizy porównawczej różnych związków lub metod.
- Umożliwia skalowalność testu oraz jego ponowne wykorzystanie zarówno w środowiskach badawczych przedklinicznych, jak i klinicznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Koreluje wyjścia urządzenia z klinicznie istotnymi biomarkerami, takimi jak lokalna temperatura i przewodność tkanki.
- Zapewnia ciągłość od charakterystyki urządzenia w warunkach laboratoryjnych do monitorowania ran u pacjentów.
- Ułatwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju produktu w oparciu o analizę ryzyka, dostarczając danych w czasie rzeczywistym, które umożliwiają podjęcie konkretnych działań.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ten elektroniczny system przypominający skórę wpisuje się w kontinuum od wytwarzania i charakterystyki urządzeń po kliniczne monitorowanie ran, łącząc wczesne etapy odkryć z badaniami translacyjnymi.
- Biologia odkrywcza: Ilościowy pomiar parametrów miejsca rany umożliwia weryfikację hipotez i ograniczanie ryzyka biologicznego.
- Screening: Standaryzowane wyniki z urządzenia ułatwiają powtarzalną ocenę skuteczności interwencji.
- Analityka: Wysokiej jakości dane dotyczące temperatury i przewodności wspierają rzetelne porównania statystyczne.
- Badania translacyjne: Wydajność urządzenia w warunkach klinicznych zapewnia zgodność biomarkerów oraz ciągłość przejścia z etapu przedklinicznego do klinicznego.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Elastyczność i możliwość ponownego wykorzystania platformy wspierają szerokie zastosowanie w badaniach nad leczeniem ran.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad gojeniem ran.
- Wartość operacyjna: Sprzyja standaryzacji, powtarzalności i skalowalności w ocenie ran z wykorzystaniem urządzeń.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie decyzji go/no-go w oparciu o dane i optymalizuje alokację zasobów w portfelach opieki nad ranami.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację interwencji w zarządzaniu ranami i innowacji w zakresie urządzeń z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie mikrofabrykacji, inżynierii materiałowej oraz integracji urządzeń.
- Wymagany jest dostęp do infrastruktury do powlekania wirowego, naparowywania elektronowego oraz akwizycji danych.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie produkcji urządzeń i wdrożeń klinicznych.
- Metoda jest możliwa do adaptacji w różnych modelach ran i populacjach pacjentów poprzez dostosowanie protokołu.
- Ograniczenia obejmują konieczność kalibracji i walidacji w zróżnicowanych scenariuszach klinicznych.
