Name: Wytwarzanie i charakterystyka konforemnego, przypominającego skórę elektronicznego systemu do ilościowego leczenia ran skórnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-09-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 50 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania konforemnego, przypominającego skórę systemu elektronicznego do ilościowego monitorowania ran skórnych. Urządzenie umożliwia pomiar czasu, temperatury i przewodności cieplnej tkanek w czasie rzeczywistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była wspierana przez fundusze start-upowe ze Szkoły Inżynierii, Virginia Commonwealth University, a niektóre urządzenia elektroniczne zostały przygotowane w zakładach mikroprodukcji w Wright Virginia Microelectronics Center. Wyrażamy uznanie dla badaczy, którzy wnieśli wkład w rozwój urządzenia i danych klinicznych (ryc. 3 i 5 w tym artykule), uzyskanych z opublikowanego artykułu10. W.-H.Y dziękuje Yoshiaki Hattori za niestandardowe oprogramowanie do nagrywania danych.

Eksperymenty dotyczące produkcji urządzeń, laminowania skóry i charakterystyki pokazane na rysunkach 1, 2 i 4 obejmowały dwóch ochotników, wszystkie przeprowadzone w Laboratorium Nanoinżynierii z interfejsem biologicznym na Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, VA, USA. Badanie to zostało zatwierdzone przez Instytucjonalną Komisję Rewizyjną VCU (numer protokołu: HM20001454) i było zgodne z wytycznymi badawczymi VCU Human Research. Wyrób i dane kliniczne pokazane na rysunkach 3 i 5 zostały uzyskane z opublikowanego artykułu10, w którym eksperymenty na pacjentach przeprowadzono zgodnie z protokołem (numer: STU69718) zatwierdzonym przez Institutional Review Board, Northwestern University, Chicago, IL, USA.
1. Produkcja urządzeń 
UWAGA: Rysunek 2 przedstawia schematyczne ilustracje całego procesu produkcji.
<ol>
	<li>Przygotować podłoże nośne
	<ol>
		<li>Wytnij gołą płytkę krzemową (Si) o grubości 3 cali na żądany rozmiar elektroniki za pomocą tarczy diamentowej. 
		UWAGA: Około połowa wafla Si daje idealny rozmiar dla urządzenia do nawijania.</li>
		<li>Wafel Si odtłuścić acetonem i alkoholem izopropylowym (IPA). Opłucz wafel wodą dejonizowaną (DI), a następnie osusz azotem i odwadniaj na płycie grzejnej w temperaturze 110 °C przez 3 minuty.</li>
		<li>Przygotować 11 g mieszaniny polidimetylosiloksanu (PDMS) ze stosunkiem objętościowym zasady i utwardzacza w stosunku 10:1 i odgazować mieszaninę w komorze próżniowej przez godzinę. 
		UWAGA: PDMS stosuje się do pobierania suchego wzoru i drukowania transferowego po mikrowytwarzaniu, co jest lepsze niż podejście oparte na mokrej substancji chemicznej (acetonie) z poprzedniego badania7.</li>
		<li>Wirować 5 g zmieszanego roztworu PDMS na płytce z prędkością 3 000 obr./min przez 1 minutę przez 1 minutę i całkowicie utwardzić na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C przez 30 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Materiały depozytowe i elektronika wzorcowa
	<ol>
		<li>Potraktuj płytkę pokrytą PDMS ultrafioletem (UV)/ozonem za pomocą lampy UV (8,9 mW/cm2) przez 3 minuty, aby powierzchnia była hydrofilowa. 
		UWAGA: Hydrofilowa powierzchnia zapewnia równomierne pokrycie dodatkowych warstw na PDMS.</li>
		<li>Przędzenie poliimidu (PI; 2 ml) na płytce powlekanej PDMS, pipetując, z prędkością 4 000 obr./min przez 1 minutę, aby utworzyć warstwę o grubości 1,2 μm, wstępnie piec na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C przez 5 minut, a następnie piec w temperaturze 250 °C przez 2 godziny.</li>
		<li>Osadzaj chrom (Cr) w celu utworzenia warstwy o grubości 20 nm, a następnie osadzaj miedź (Cu) w celu utworzenia warstwy o grubości 3 μm za pomocą odparowywania wiązką elektronów (wiązka elektronów) (ciśnienie podstawowe: ~1×10-7 Torr, ciśnienie osadzania: ~1×10-6 Torr, szybkość stapiania: 1 – 5 A/s). Monitorowanie grubości filmu za pomocą interfejsu sterownika osadzania wbudowanego w parownik. 
		UWAGA: Gruba warstwa Cu zapewnia wystarczający poziom przewodności elektrycznej na rezystorach w mikroskali urządzenia, a cienka warstwa Cr służy do promowania przyczepności między PI i Cu.</li>
		<li>Przędzić fotokursor (2 ml) w trzech krokach przy 900 obr./min przez 10 sekund, 1 100 obr./min przez 60 sekund i 4 000 obr./min przez 20 sekund, a następnie utwardzać go na płycie grzejnej w temperaturze 75 °C przez 30 min. 
		UWAGA: Opisane powyżej sekwencyjne kroki zostały wykorzystane do nałożenia grubego (> 10 μm) fotorezystu.</li>
		<li>Wyrównaj wzory elektroniczne Cu (czujniki; fraktalna konstrukcja "Peano" o szerokości 35 μm i interkonektach; serpentynowa konstrukcja z otwartą siatką o szerokości 50 μm) w środku płytki Si za pomocą nakładki UV (moc: 10 mW/s) z czasem naświetlania 25 s. 
		UWAGA: Struktury fraktalne są używane w celu zapewnienia lepszej rozciągliwości mechanicznej w porównaniu z jedynie meandrującymi cechami14.</li>
		<li>Rozwinąć fotorezystu w rozcieńczonym wywoływaczu bazowym (stosunek wywoływacza i wody demineralizowanej 1:2) przez minutę, spłukać wodą DI i osuszyć azotem. Sprawdź wzory (fraktale Cu i interkonekty) za pomocą mikroskopu, aby potwierdzić rozmiar cechy i znaleźć wszelkie defekty cząstek stałych. 
		UWAGA: Jeśli występują jakiekolwiek niepożądane wady, usuń fotorezyst, spłukując wodą z acetonem/IPA/DI. Po wysuszeniu azotem powtórzyć kroki od 1.2.4 do 1.2.6.</li>
		<li>Wytrawić warstwę Cu na płytce Si, zanurzając ją w mokrym wytrawiaczu chemicznym na ~6 min (10 ml; mieszanina nadsiarczanu amonu i wody w stosunku 1:4; szybkość wytrawiania 8 nm/s w 40 °C), spłukać wodą demineralizowaną i wysuszyć azotem. Sprawdź wzory za pomocą mikroskopu pod kątem nadmiernie wytrawionych wzorów. 
		UWAGA: Jeśli wzory są nadmiernie wytrawione, może to spowodować niepożądane ostre krawędzie elementów, co może prowadzić do pęknięć mechanicznych podczas obsługi urządzenia i procesu mycia. Wcześniejsze wyniki testów wykazały, że ponad ~20% nadmierne trawienie oryginalnych wzorów powodowało wyżej wymienione problemy.</li>
		<li>Wytrawianie warstwy Cr za pomocą reaktywnego trawienia jonowego (RIE; ciśnienie: 300 mTorr, moc: 200 W, gaz CF4: 5 sccm, gazO2: 10 sccm) przez 5 min. Sprawdź wzory. 
		UWAGA: W przypadku wytrawiania warstwy Cr proces RIE jest lepszy niż trawienie chemiczne na mokro, które powoduje niekorzystną reakcję z warstwą Cu.</li>
		<li>Usuń pozostały fotorezyst na warstwach metalu, zanurzając wafel odpowiednio w acetonie (10 ml), IPA (10 ml) i wodzie DI (20 ml). Następnie wysusz go azotem.</li>
		<li>Przędzić PI (2 ml) na metalowej płytce osadzanej, pipetując, przy 4000 obr./min przez 1 minutę, aby utworzyć warstwę o grubości 1,2 μm, wstępnie piec na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C przez 5 minut, a następnie piec w temperaturze 250 °C przez 2 godziny.</li>
		<li>Fotorezystor (2 ml) należy pokryć w trzech krokach przy 900 obr./min przez 10 sekund, 1 100 obr./min przez 60 sekund i 4 000 obr./min przez 20 sekund, a następnie utwardzić go na płycie grzejnej w temperaturze 75 °C przez 30 min.</li>
		<li>Dopasuj wzorce PI, aby otoczyć elektronikę Cu (czujniki; fraktalna konstrukcja "Peano" o szerokości 35 μm i połączeniach; serpentynowa konstrukcja z otwartą siatką o szerokości 250 μm) z predefiniowanymi fraktalami Cu i interkonektorami za pomocą nakładki UV (moc: 10 mW/s) z czasem naświetlania 25 sek.</li>
		<li>Rozwinąć fotorezystu rozcieńczonym wywoływaczem (stosunek 1:2 wywoływacza i wody DI) przez minutę, spłukać wodą DI i osuszyć azotem. Sprawdź wzory za pomocą mikroskopu, aby potwierdzić rozmiar elementu i znaleźć wszelkie defekty cząstek stałych. 
		UWAGA: Jeśli występują jakiekolwiek niepożądane wady, usuń fotorezyst, spłukując wodą z acetonem/IPA/DI. Po wysuszeniu azotem powtórz kroki od 1.2.10 do 1.2.13.</li>
		<li>Wytrawić warstwę PI za pomocą RIE (ciśnienie: 170 mTorr, moc: 150 W, gaz O2: 20 sccm) przez 25 minut. Sprawdź wzory.</li>
		<li>Usuń pozostały fotorezyst, zanurzając wafel odpowiednio w acetonie (10 ml), IPA (10 ml) i wodzie DI (20 ml). Następnie wysusz go azotem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotuj membranę elastomerową
	<ol>
		<li>Przygotować 10 g kapsułkującej mieszaniny silikonu (stosunek objętościowy 1:1 bazy i utwardzacza) i dodać tusz15 o stosunku objętościowym jeden do jednego, co ma ułatwić pomiary kontrolne zmian temperatury na skórze za pomocą kamery na podczerwień. 
		UWAGA: Zastosowany silikon (przezroczysta guma hermetyczna) zapewnia unikalne właściwości niskiej lepkości, przejrzystości optycznej i izolacji/ochrony elektrycznej urządzenia16.</li>
		<li>Przędzić 8 g mieszaniny na szalce Petriego z prędkością 150 obr./min przez 1 minutę, aby utworzyć membranę elastomerową o grubości 500 μm i utwardzać w temperaturze pokojowej dla O/N. 
		UWAGA: Materiał należy ułożyć na płaskiej powierzchni, aby uzyskać jednolitą grubość.</li>
		<li>Przytnij membranę do pożądanego rozmiaru 70 mm x 30 mm za pomocą ostrej żyletki i delikatnie odłącz ją od szalki Petriego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pobieranie i przenoszenie elektroniki
	<ol>
		<li>Wytnij taśmę rozpuszczalną w wodzie (25 mm x 80 mm) i delikatnie zalaminuj na wytworzonych wzorach elektronicznych, a następnie umieść je na płycie grzejnej w temperaturze 130 °C na 3 min. 
		UWAGA: Wzrost temperatury rozszerza warstwę PDMS na płytce Si, aby pomóc w dysocjacji wzorów elektronicznych od powierzchni.</li>
		<li>Szybko odłącz taśmę od płytki PDMS/Si, aby pobrać wzorce elektroniczne</li>.
		<li>Osadzać Cr o grubości 20 nm (dla adhezji), a następnie dwutlenek krzemu (SiO2) o grubości 50 nm na pobranych wzorcach przez odparowanie wiązki elektronów.</li>
		<li>Usuwaj promieniowanie UV/ozon za pomocą lampy UV (365 nm, 8,9 mW/cm2) na docelowej membranie silikonowej przez 2 minuty, aby aktywować powierzchnię.</li>
		<li>Przenieś wzory na membranę silikonową, umieszczając pobrane wzory na taśmie w żądanym miejscu i równomiernie dociskając od góry wzorów w dół do podłoża. Zastosuj wodę, aby rozpuścić taśmę przez 5 min. 
		UWAGA: Opisany proces przenoszenia materiałów jest ułatwiony przez wiązanie kowalencyjne (Si-O-Si) pomiędzy osadzonym dwutlenkiem krzemu a substratem silikonowym aktywowanym promieniami UV17.</li>
		<li>Odklej taśmę, spłucz wodą DI i susz na płycie grzejnej w temperaturze 90 °C przez 1 minutę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kapsułkuj urządzenie za pomocą silikonowej membrany
	<ol>
		<li>Przygotować 10 g kapsułkującej mieszaniny silikonu (stosunek objętościowy 1:1 bazy i utwardzacza).</li>
		<li>Przykryj podkładki stykowe prostokątnym kawałkiem PDMS (22 × 6 × 1 mm3) za pomocą połączenia van der Waalsa z dolną membraną silikonową, aby uniknąć silikonowego powlekania padów.</li>
		<li>Powleczoną 5 g mieszanki silikonu z prędkością 4 000 obr./min przez 1 minutę należy pokryć warstwą o grubości 5 μm na przenoszonej elektronice, a następnie utwardzić w temperaturze pokojowej dla O/N.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Podłącz elastyczny taśmowy do zbierania danych
	<ol>
		<li>Nanieść płynny topnik stalowy (0,5 ml), pipetując, na podkładki łączące przez 3 sekundy, aby uzyskać czystą powierzchnię.</li>
		<li>Podłączyć cienki, elastyczny taśmowy w punktach styku pod ciśnieniem w wysokiej temperaturze (> 60 °C). Typowa prostownica do włosów zapewnia łatwą obsługę i klejenie. 
		UWAGA: z mikrofolią jest lepszy niż konwencjonalne drutem twardym, aby uniknąć mechanicznego pękania przenoszonych membran metalowych na silikonie.</li>
		<li>Sprawdź połączenie elektryczne za pomocą multimetru cyfrowego. Oczekuje się, że wartość rezystancji między podkładką czujnika będzie mniejsza niż 1 Ohm między podkładką czujnika z jednym końcem a drugim końcem foliowego (odległość: ~1 cm od siebie).</li>
		<li>Podłącz drugi koniec taśmowego do niestandardowej płytki drukowanej przy użyciu tej samej strategii opisanej w kroku 1.6.2.</li>
		<li>Sprawdź połączenie elektryczne za pomocą multimetru cyfrowego.</li>
		<li>Połącz urządzenie ze sprzętem do akwizycji danych, konwencjonalne przewody na płytce drukowanej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Testy kliniczne 
<ol>
	<li>Wyczyść urządzenie za pomocą roztworu dezynfekującego
	<ol>
		<li>Przygotować 205 g rozcieńczonego roztworu środka dezynfekującego (stosunek objętościowy wody do roztworu 40:1).</li>
		<li>Rozpyl roztwór (10 g) na urządzenie i moczyć go przez 10 min. 
		UWAGA: Rozcieńczony środek dezynfekujący do czyszczenia można przechowywać w temperaturze pokojowej.</li>
		<li>Spłucz trzykrotnie wodą i osusz czystymi chusteczkami.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfigurowanie serii urządzeń do testowania urządzeń
	<ol>
		<li>Przygotuj i podłącz wzmacniacz typu lock-in ze źródłem prądu, multiplekserem i niestandardowym oprogramowaniem zainstalowanym na laptopie do nagrywania danych.</li>
		<li>Umieść kamerę termowizyjną na statywie i ustaw ostrość na obiekcie docelowym do termografii jako odniesienie.</li>
		<li>Ustaw parametry systemu wzmacniacza typu lock-in do pomiaru przewodności cieplnej (częstotliwość: 1 i 3 Hz; stała czasowa: 3 i 1 s; czułość: 1 mV; rezerwa dynamiczna: wysoka rezerwa) i temperatury (częstotliwość: 997 Hz; stała czasowa: 300 ms; czułość: 2 mV; rezerwa dynamiczna: niski poziom szumów) przy przyłożonym prądzie stałym (2 mA).</li>
		<li>Podłącz dwa urządzenia do nawijania ran, przygotowane przez mikrofabrykację i druk transferowy i zamontowane w miejscu rany i po przeciwnej stronie, do multipleksera tuż przed zapisaniem danych od pacjenta.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rekordowa temperatura i przewodność cieplna 
	UWAGA: Oprogramowanie do akwizycji danych jest wykonane na zamówienie, które może zdalnie sterować wzmacniaczem blokującym w celu monitorowania i zapisywania danych w czasie rzeczywistym. W pomiarze temperatury każdy punkt danych jest mierzony co 300 ms przez 20 sekund. Zestaw danych dla pierwszych 10 sekund i następnych 10 sekund służy do obliczenia odpowiednio średniej wartości temperatury i odchylenia standardowego. Zarejestrowane dane są następnie zapisywane jako plik z wartościami oddzielonymi przecinkami, który służy do wykreślenia wykresu w celu porównania z danymi z termografii w podczerwieni. W pomiarze przewodności cieplnej sygnały 3Ω są bezpośrednio odczytywane z ekranu sprzętowego (wzmacniacza), który jest następnie wykorzystywany do analitycznego obliczania przewodności cieplnej.
	<ol>
		<li>Delikatnie wetrzyj miejsca aplikacji urządzenia w skórę za pomocą antyseptycznych chusteczek nasączonych alkoholem10.</li>
		<li>2.3.2) Zalaminuj dwa urządzenia w żądanych miejscach na skórze, delikatnie dociskając urządzenie do skóry palcami, aby ułatwić miękkie wiązanie: jedno w miejscu rany chirurgicznej, a drugie w miejscu po przeciwnej stronie jako odniesienie.</li>
		<li>Zmierz napięcie elektryczne (3 Ω) związane z przewodnością cieplną urządzenia, rozpoczynając akwizycję danych.</li>
		<li>Oceń uzyskane dane, aby zweryfikować konforemny kontakt urządzenia ze skórą; nieprawidłowa wartość (< 0,1 W/mK) wskazuje na zły kontakt urządzenia.</li>
		<li>Zmierz rezystancję elektryczną, aby określić rozkład temperatury i zarejestrować dane za pomocą niestandardowego oprogramowania.</li>
		<li>Zrób zdjęcia optyczne i w podczerwieni dwóch urządzeń na skórze.</li>
		<li>Porównaj wartości temperatury z obrazów w podczerwieni z danymi zarejestrowanymi z urządzenia do nawijania ran (2.3.5). Dodaj obie wartości do osobnych kolumn w dostosowanym arkuszu kalkulacyjnym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analizuj zarejestrowane dane
	<ol>
		<li>Eksportuj zarejestrowane dane do dostosowanego szablonu, aby automatycznie obliczyć temperaturę i przewodność cieplną z szeregu czujników w urządzeniu.</li>
		<li>Wykreśl dane (temperaturę i przewodność cieplną w zależności od lokalizacji czujnika na innej skali czasowej) do porównania w ciągu jednego miesiąca (cztery zestawy danych w dniu 1, 3, 15 i 30).</li>
		<li>Analizuj dane, porównując serię danych dotyczących temperatury i przewodności cieplnej w zależności od czasu; Wartości z nagłym wzrostem lub spadkiem informują o zmianie fazy gojenia się rany i/lub nieoczekiwanych nieprawidłowościach w miejscach rany.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Dargaville, T. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensors+and+imaging+for+wound+healing%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Sensors and imaging for wound healing: A review.</a> Biosens Bioelectron. 41, 30-42 (2013).</li>
<li>Panuncialman, J., Hammerman, S., Carson, P., Falanga, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wound+edge+biopsy+sites+in+chronic+wounds+heal+rapidly+and+do+not+result+in+delayed+wound+healing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Invest+Dermatol%22%5BJournal%5D)">Wound edge biopsy sites in chronic wounds heal rapidly and do not result in delayed wound healing.</a> J Invest Dermatol. 129, S47-S47 (2009).</li>
<li>Hess, C. T., Kirsner, R. S. Orchestrating Wound Healing: Assessing and Preparing the Wound Bed. Adv Skin Wound Care. 16 (5), 246-257 (2003).</li>
<li>Lange-Asschenfeldt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applicability+of+confocal+laser+scanning+microscopy+for+evaluation+and+monitoring+of+cutaneous+wound+healing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Applicability of confocal laser scanning microscopy for evaluation and monitoring of cutaneous wound healing.</a> J Biomed Opt. 17 (7), (2012).</li>
<li>Crane, N. J., Elster, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vibrational+spectroscopy%3A+a+tool+being+developed+for+the+noninvasive+monitoring+of+wound+healing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Vibrational spectroscopy: a tool being developed for the noninvasive monitoring of wound healing.</a> J Biomed Opt. 17 (7), (2012).</li>
<li>Jeong, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+and+Optimized+Designs+for+Human-Machine+Interfaces+Via+Epidermal+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Materials and Optimized Designs for Human-Machine Interfaces Via Epidermal Electronics.</a> Adv Mater. 25 (47), 6839-6846 (2013).</li>
<li>Kim, D. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidermal+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Epidermal Electronics.</a> Science. 333 (6044), 838-843 (2011).</li>
<li>Webb, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrathin+conformal+devices+for+precise+and+continuous+thermal+characterization+of+human+skin+%28vol+12%2C+pg+938%29%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Ultrathin conformal devices for precise and continuous thermal characterization of human skin (vol 12, pg 938).</a> Nat Mater. 12, 1078-1078 (2013).</li>
<li>Yeo, W. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multifunctional+Epidermal+Electronics+Printed+Directly+Onto+the+Skin%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Multifunctional Epidermal Electronics Printed Directly Onto the Skin.</a> Adv Mater. 25 (20), 2773-2778 (2013).</li>
<li>Hattori, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multifunctional+skin-like+electronics+for+quantitative%2C+clinical+monitoring+of+cutaneous+wound+healing%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Healthc+Mater%22%5BJournal%5D)">Multifunctional skin-like electronics for quantitative, clinical monitoring of cutaneous wound healing.</a> Adv Healthc Mater. 3 (10), 1597-1607 (2014).</li>
<li>Guo, S., DiPietro, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Factors+Affecting+Wound+Healing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Dent+Res%22%5BJournal%5D)">Factors Affecting Wound Healing.</a> J Dent Res. 89 (3), 219-229 (2010).</li>
<li>Matzeu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Skin+temperature+monitoring+by+a+wireless+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Ieee+Ind+Elec%22%5BJournal%5D)">Skin temperature monitoring by a wireless sensor.</a> Ieee Ind Elec. , 3533-3535 (2011).</li>
<li>Cahill, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal-Conductivity+Measurement+from+30-K+to+750-K+-+the+3-Omega+Method%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">Thermal-Conductivity Measurement from 30-K to 750-K - the 3-Omega Method.</a> Rev Sci Instrum. 61 (2), 802-808 (1990).</li>
<li>Fan, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fractal+Design+Concepts+for+Stretchable+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Commun%22%5BJournal%5D)">Fractal Design Concepts for Stretchable Electronics.</a> Nature Commun. 5 (3266), (2013).</li>
<li>Song, Y. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+cameras+with+designs+inspired+by+the+arthropod+eye%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye.</a> Nature. 497 (7447), 95-99 (2013).</li>
<li>Jeong, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Capacitive+Epidermal+Electronics+for+Electrically+Safe%2C+Long-Term+Electrophysiological+Measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Healthc+Mater%22%5BJournal%5D)">Capacitive Epidermal Electronics for Electrically Safe, Long-Term Electrophysiological Measurements.</a> Adv Healthc Mater. 3 (5), 642-648 (2013).</li>
<li>Zhang, Y. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+and+Theoretical+Studies+of+Serpentine+Microstructures+Bonded+To+Prestrained+Elastomers+for+Stretchable+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">Experimental and Theoretical Studies of Serpentine Microstructures Bonded To Prestrained Elastomers for Stretchable Electronics.</a> Adv Funct Mater. 24 (14), 2028-2037 (2014).</li>
<li>Carlson, A., Bowen, A. M., Huang, Y. G., Nuzzo, R. G., Rogers, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+Printing+Techniques+for+Materials+Assembly+and+Micro%2FNanodevice+Fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Transfer Printing Techniques for Materials Assembly and Micro/Nanodevice Fabrication.</a> Adv Mater. 24 (39), 5284-5318 (2012).</li>
<li>Yeo, W. H., Webb, R. C., Lee, W., Jung, S., Rogers, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio-integrated+electronics+and+sensor+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Spie%22%5BJournal%5D)">Bio-integrated electronics and sensor systems.</a> Proc Spie. 8725, (2013).</li>
<li>Chung, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Releasable+Single-Crystal+Silicon%E2%80%93Metal+Oxide+Field-Effect+Devices+and+Their+Deterministic+Assembly+on+Foreign+Substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Releasable Single-Crystal Silicon–Metal Oxide Field-Effect Devices and Their Deterministic Assembly on Foreign Substrates.</a> Adv Funct Mater. 21 (16), 3029-3036 (2011).</li>
<li>Kim, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unusual+strategies+for+using+indium+gallium+nitride+grown+on+silicon+%28111%29+for+solid-state+lighting%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting.</a> Proc Natl Acad Sci U.S.A. 108 (25), 10072-10077 (2011).</li>
<li>Padilla-Medina, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+technique+for+acne+treatments+based+on+statistical+parameters+of+skin+thermal+images%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Assessment technique for acne treatments based on statistical parameters of skin thermal images.</a> J Biomed Opt. 19 (4), 046019-046019 (2014).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

W tym artykule przedstawiono metody i protokoły wytwarzania konformalnego, przypominającego skórę systemu elektronicznego, który umożliwia laminowanie konformalne w pobliżu tkanek rany, co oferuje ilościowy pomiar temperatury skóry i mapowanie przewodności cieplnej na skórze. 
Kluczowe cechy obejmują wykorzystanie nowatorskich technik druku transferowego materiałów oraz integracji materiałów twardych i miękkich w celu zaprojektowania i opracowania elastycznego/rozciągliwego, miękkiego urządzen...

W badaniach klinicznych i biomedycznych, monitorowanie gojenia się ran skupiało się na inwazyjnej metodzie, która opiera się na histologicznej ocenie zmian morfologicznych tkanek w ranach1,2. Niedawny szybki postęp w technologiach elektronicznych umożliwia opracowanie wysoce precyzyjnych narzędzi do obrazowania i analizy, które mogą wizualnie kontrolować proces gojenia się ran za pomocą obrazowania cyfrowego3,4 lub konfokalnej mikroskopii skaningowej i spektroskopii4,5. Jednak te metody obrazowania wymagają wysokich kosztów, skomplikowanych narzędzi optycznych i operacji, a co ważniejsze, pacjenci muszą być unieruchomieni podczas testów. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na nowe urządzenia i systemy, które są ilościowe, nieinwazyjne, łatwe w użyciu, niedrogie i wielofunkcyjne, aby zapewnić dokładniejsze leczenie ran.
Tutaj wprowadzamy elektroniczny system przypominający skórę, który zapewnia precyzyjne mapowanie temperatury i przewodności cieplnej w czasie rzeczywistym oraz dostarcza precyzyjny poziom ogrzewania w miejscach ran poprzez konforemną laminację urządzenia w sposób nieinwazyjny. To urządzenie prezentuje klasę technologii, naskórkowe systemy elektroniczne montowane na skórze, które są zaprojektowane tak, aby dopasować się do właściwości mechanicznych i materiałowych (grubość całkowita, sztywność zginania, moduły efektywne i gęstość masy) naskórka6-9.
Urządzenie jest zaprojektowane w biokompatybilnej, przyjaznej dla skóry, wodoodpornej i wielokrotnego użytku formie, która może być myta i dezynfekowana do zastosowań klinicznych u pacjentów10. Konforemne urządzenie elektroniczne zamontowane w pobliżu tkanek rany rejestruje fazę zapalenia (proces gojenia się rany), spowodowaną zwiększonym przepływem krwi i reakcjami enzymatycznymi na ranę11,12, poprzez ilościowy zapis temperatury8 i przewodności cieplnej13, skorelowanej z nawodnieniem. Badania eksperymentalne i obliczeniowe określają optymalny projekt mechaniki, aby dostosować się do naturalnych ruchów i zastosowanych naprężeń bez pęknięć mechanicznych oraz uchwycić fizykę leżącą u podstaw mechaniki rozciągania elektroniki przypominającej skórę, która laminuje się konforemnie na powierzchni skóry, co zapewnia pozyskiwanie sygnałów o wysokiej wierności.
Protokoły opisane w tym artykule prezentują metody mikrowytwarzania systemów elektronicznych przypominających skórę, przygotowanie do testów, w tym czyszczenie urządzenia, konfigurację sprzętu w warunkach klinicznych oraz zastosowania kliniczne do ilościowego monitorowania temperatury i przewodności cieplnej na ranach skóry.

<table><tbody><tr><td>3-calowy</td><td>wafel krzemowy Wafel uniwersytecki, USA</td><td></td><td>Użyj jako nośnika do produkcji urządzenia</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Fisher Scientific, USA</td><td>A18-1</td><td>Służy do czyszczenia płytki i usuwania fotorezystu</td></tr><tr><td>Izopropanol (IPA)</td><td>Fisher Scientific, USA</td><td>A459-1</td><td>Służy do czyszczenia wafla</td></tr><tr><td>AZ4620 fotorezystu</td><td>AZ Electrionic Materials, USA</td><td></td><td>Służy do tworzenia wzorów na metalach i polimery</td></tr><tr><td>AZ400K deweloper</td><td>AZ Electrionic Materials, USA</td><td></td><td>Użyj do opracowania fotorezystu AZ4620</td></tr><tr><td>Wytrawiacz chromu</td><td>Transene, USA</td><td>1020AC</td><td>Służy do wytrawiania warstwy Cr urządzenia</td></tr><tr><td>Wytrawiacz miedzi</td><td>Transene, USA</td><td>ASP-100</td><td>Służy do wytrawiania warstwy Cu urządzenia</td></tr><tr><td>Sylgard 184 Zestaw elastomerów silikonowych (PDMS)</td><td>Dow Corning, USA</td><td>39100000</td><td>Stosować jako podłoże do "suchego" pobierania</td></tr><tr><td>PI2545 poliimid</td><td>HD MicroSystem, USA</td><td></td><td>Służy do hermetyzacji warstwy metalu</td></tr><tr><td>Solaris</td><td>Smooth-On, USA</td><td></td><td>Stosować jako podłoże i do hermetyzacji urządzenia</td></tr><tr><td>Petridish</td><td>Carolina, USA</td><td>741255</td><td>Stosować jako formę do produkcji podłoża</td></tr><tr><td>Rozpuszczalna w wodzie taśma lutownicza na fali 5414</td><td>3M, USA</td><td>AM000000217</td><td>Służy do wyjmowania urządzenia z warstwy PDMS</td></tr><tr><td>Płynny topnik ze stali nierdzewnej o wysokiej aktywności</td><td>Worthington, USA</td><td>331929</td><td>Służy do usuwania warstwy utleniającej z elastycznego Cu</td></tr><tr><td>Elastyczny, mikrofoliowy</td><td>Elform, USA</td><td></td><td>Służy do wykonania połączenia elektrycznego między urządzeniem elektronicznym a systemem akwizycji danych</td></tr><tr><td>Środek czyszczący o neutralnym pH</td> Australian <td>Gold, USA</td><td></td><td>Służy jako roztwór dezynfekujący do czyszczenia urządzenia w testach klinicznych</td></tr><tr><td>Lut</td><td>Kester, USA</td><td>24-6337-9703</td><td>Służy jako materiał do twardych drutów</td></tr><tr><td>Lampa ultrafioletowa</td><td>Cole-Parmer, USA</td><td>97600-00</td><td>Służy do aktywacji warstwy PDMS jako powierzchni hydrofilowej</td></tr><tr><td>Multiplekser</td><td>FixYourBoard, USA</td><td>U802</td><td>Służy do pozyskiwania pomiarów z sześciu komponentów czujnikowych&nbsp;</td></tr><tr><td>Źródło prądu DC/AC</td><td>Keithley, USA</td><td>6221</td><td>Służy do zasilania prądu</td></tr><tr><td>Cyfrowa stacja lutownicza na gorące powietrze SMD</td><td>Aoyue, Chiny</td><td>968A+</td><td>Służy do twardych przewodów, do elektrycznego łączenia urządzenia z przyrządami zewnętrznymi</td></tr><tr><td>Kamera termowizyjna</td><td>FLIR, USA</td><td>435-0001-01-00</td><td>Służy do robienia zdjęć w podczerwieni w eksperymencie</td></tr><tr><td>Multimetr cyfrowy</td><td>Fluke, USA</td><td>117</td><td>Służy do sprawdzania połączenia elektrycznego</td></tr><tr><td>Wzmacniacz blokujący</td><td>Stanford Research System, USA</td><td>SR830 Służy</td><td>do wykonywania pomiarów za pomocą sondy czteropunktowej</td></tr><tr><td>Parownik wiązki elektronów</td> w <td>skali 9 Produkty próżniowe, USA</td><td></td><td>Służy do osadzania cienkich warstw (Cu i SiO2)</td></tr></tbody></table>

wytwarzanie i charakterystyka konforemnego, przypominającego skórę elektronicznego systemu do ilościowego leczenia ran skórnych

Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

Ostatnie postępy w rozwoju technologii elektronicznych i urządzeń biomedycznych oferują możliwości nieinwazyjnej, ilościowej oceny gojenia się ran skórnych na skórze. Istniejące metody nadal opierają się jednak na oględzinach za pomocą różnych mikroskopijnych narzędzi i urządzeń, które zwykle obejmują drogie, zaawansowane systemy i wymagają dobrze wyszkolonego personelu do obsługi i analizy danych. W tym miejscu opisujemy metody i protokoły wytwarzania konformalnego, przypominającego skórę systemu elektronicznego, który umożliwia konformalne laminowanie na powierzchni skóry w pobliżu tkanek rany, co zapewnia rejestrację sygnałów elektrycznych o wysokiej wierności, takich jak temperatura skóry i przewodność cieplna. Metody wytwarzania urządzeń dostarczają szczegółów krok po kroku przygotowania systemu mikroelektronicznego, który jest całkowicie zamknięty w elastomerowych materiałach silikonowych w celu zapewnienia izolacji elektrycznej. W badaniu eksperymentalnym przedstawiono wielofunkcyjne, biokompatybilne, wodoodporne, wielokrotnego użytku i elastyczne/rozciągliwe cechy urządzenia do zastosowań klinicznych. Protokoły badań klinicznych zapewniają przegląd i sekwencyjny proces czyszczenia, konfiguracji testów, obsługi systemu i pozyskiwania danych za pomocą elektroniki przypominającej skórę, delikatnie zamontowanej na nadwrażliwych, skórnych ranach i tkankach przeciwległych pacjentów.

Rysunek 1 przedstawia przegląd charakterystyk konforemnego, przypominającego skórę systemu elektronicznego, zaprojektowanego do ilościowego zarządzania ranami skórnymi u pacjentów. Multifunkcyjne urządzenie elektroniczne składa się z mikroskalowych struktur fraktalnych3,14 oraz nitkowatych ścieżek serpentynowych9,17 na cienkiej membranie elastomerowej, która oferuje wyjątkową rozciągliwość i giętkość mechaniczną. Elastyczne urządzenie, w całości zamknięte w warstwach silikonu, umożl...

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.

Wytwarzanie i charakterystyka konforemnego, przypominającego skórę elektronicznego systemu do ilościowego leczenia ran skórnych

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykonanie przypominającego skórę urządzenia elektronicznego do ilościowego zarządzania ranami skórnymi. Osiąga się to najpierw poprzez opracowanie urządzenia elektronicznego na podłożu nośnym. Drugim krokiem jest przygotowanie membrany elastomerowej, w której zostaną osadzone komponenty elektroniczne.Następnie wykonane komponenty elektroniczne są wyjmowane z substancji do produkcji i przenoszone na membranę. Ostatnie etapy polegają na zamknięciu elektroniki w powłoce silikonowej oraz podłączeniu elastycznego kabla do akwizycji danych. Gotowe urządzenie jest laminowane w pobliżu tkanki rany pacjenta w celu monitorowania czasu, zmiennej temperatury oraz przewodności cieplnej tkanki w ramach opieki nad raną.Główną zaletą tego urządzenia w porównaniu z istniejącymi narzędziami opartymi na mikroskopowych inspekcjach wizualnych jest możliwość wielofunkcyjnego ilościowego monitorowania temperatury i przewodnictwa cieplnego w pobliżu tkanki rany. Miękkie, biokompatybilne i noszone na skórze urządzenie zapewnia funkcje i właściwości umożliwiające zastosowanie w warunkach klinicznych i posiada ogromny potencjał w rozwiązywaniu istotnych problemów w lec

fabrication-characterization-conformal-skin-like-electronic-system

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Opracowano dwumodalny system obrazowania do bezkontaktowej oceny utlenowania tkanek skóry oraz funkcji naczyniowej.

Obrazowanie dwutrybowe utlenowania tkanki skórnej i funkcji naczyniowej

Celem tego protokołu jest stworzenie trójwymiarowego odpowiednika skóry o pełnej grubości, który przypomina naturalną skórę. Dzięki specjalnie skonstruowanemu zautomatyzowanemu urządzeniu do nawijania można generować precyzyjne i powtarzalne rany przy zachowaniu bezpłodności.

Generowanie trójwymiarowego ekwiwalentu skóry o pełnej grubości i automatycznego nawijania

Tutaj prezentujemy protokół do generowania trójwymiarowego, uproszczonego i niezróżnicowanego modelu skóry za pomocą mikroobrabianej platformy mikroprzepływowej. Podejście oparte na przepływie równoległym pozwala na osadzanie na miejscu komory skórnej w celu wysiewu komórek nabłonka na wierzchu, a wszystko to kontrolowane przez pompy strzykawkowe.

Generowanie uproszczonego trójwymiarowego modelu typu skin-on-a-chip w mikroobrabianej platformie mikroprzepływowej

Dwie najnowsze technologie - tatuaż i tekstylia - wykazały obiecujące wyniki w zakresie czucia skóry. W tym miejscu przedstawiamy metody wytwarzania i oceny elektrod do tatuażu i elektrod tekstylnych do elektrofizjologicznego wykrywania skóry. Te interfejsy elektroniczne wykonane z przewodzących polimerów przewyższają istniejące standardy pod względem komfortu i czułości.

Dopasowane elektrody do noszenia: od produkcji do oceny elektrofizjologicznej

Rany stanowią globalne wyzwanie zdrowotne. W ramach tego badania opracowano standaryzowaną kabinę fotograficzną wykorzystującą planimetrię cyfrową w celu zminimalizowania zmienności pomiaru rany. Monitorowanie ran u myszy przez 14 dni wykazało początkowy wzrost powierzchni i obwodu rany, po którym następowało stopniowe zamykanie. Metodologia ta może pomóc w ocenie kinetyki zamykania ran w modelach przedklinicznych.

Planimetria cyfrowa do oceny kinetyki zamykania ran w modelu mysim

Urządzenie LED z niebieskim światłem o średnicy 405 nm wykazuje skuteczność antybakteryjną przeciwko szerokiemu zakresowi patogenów ran podczas oceny na syntetycznym modelu skóry opartym na kolagenie. To uproszczone podejście in vitro oferuje powtarzalną i etycznie wykonalną alternatywę dla wczesnej fazy oceny terapii przeciwdrobnoustrojowych opartych na świetle.

Badanie urządzenia LED z niebieskim światłem w celu tłumienia patogenów ran z wykorzystaniem syntetycznego modelu skóry na bazie kolagenu

Opisano zostało szczurze modele rany skóry, które umożliwiają ocenę różnych środków terapeutycznych w warunkach fizjologicznych lub patologicznych na różnych etapach procesu gojenia. Ponadto szczegółowo opisano protokół do wykonywania manualnej planimetrji w celu monitorowania szybkości kurczenia się rany w trakcie naprawy tkanki.

Model szczurzych ran chirurgicznych: podejście do badań nad gojeniem się ran i oceną biomateriałów

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

Prezentujemy platformę mikroprzepływową ze zintegrowaną siecią elektrod powierzchniowych, która łączy rezystancyjne wykrywanie impulsów (RPS) z wielokrotnym dostępem z podziałem kodu (CDMA), do wielokrotnego wykrywania i wymiarowania cząstek w wielu kanałach mikroprzepływowych.

Platforma mikroprzepływowa z multipleksowaną detekcją elektroniczną do przestrzennego śledzenia cząstek

W tym artykule prezentujemy protokół selektywnego osadzania materiałów organicznych na tekstyliach, który pozwala na bezpośrednią integrację organicznych urządzeń elektronicznych z urządzeniami do noszenia. Wyprodukowane urządzenia można w pełni zintegrować z tekstyliami, szanując ich mechaniczny wygląd i umożliwiając wykrywanie.

Prosta i skalowalna metoda wytwarzania organicznych urządzeń elektronicznych na tekstyliach

Poznaj metodę wytwarzania konforemnego, przypominającego skórę systemu elektronicznego do ilościowego monitorowania ran skórnych. Urządzenie umożliwia pomiar czasu, temperatury i przewodności cieplnej tkanek w czasie rzeczywistym.

Wytwarzanie i charakterystyka konforemnego, przypominającego skórę elektronicznego systemu do ilościowego leczenia ran skórnych

Przeglądaj więcej filmów