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

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 leczeniu ran przewlekłych. Niniejszy protokół powlekania wirowego może być wykonywany na płytkach krzemowych o dowolnym rozmiarze.

W celu rozpoczęcia procesu odtłuścić podłoża krzemowe za pomocą acetonu i alkoholu izopropylowego. Następnie opłukać je w wodzie dejonizowanej i osuszyć strumieniem azotu. Odwodnić podłoże przez trzy minuty na płycie grzejnej ustawionej na 110 °C.

Następnie nanieś pięć gramów PDMS na wafle metodą spin-coatingu przy 3000 RPM przez minutę, a proces zakończ poprzez utwardzanie wafli na płycie grzejnej ustawionej na 150 °C przez pół godziny. Po tryminutowej obróbce wafli pokrytych PDMS promieniami UV, nanieś poliamid na wafle metodą spin-coatingu. Nanieś dwa mililitry za pomocą pipety i wiruj przy 4000 RPM przez minutę, aby uzyskać warstwę o grubości 1,2 µm.

Następnie przeprowadź wstępne wygrzewanie podłoży na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C przez pięć minut, a potem wygrzej je w piecu w temperaturze 250 °C przez dwie godziny. W kolejnym kroku, przy użyciu naparowania wiązką elektronów, nanieś warstwę chromu o grubości 20 nm w celu zapewnienia adhezji, a następnie warstwę miedzi o grubości 3 µm dla zapewnienia przewodności. Następnie naniesienie metodą spin-coatingu dwóch ml fotorezystu na podłoża w trzech etapach, aby uzyskać warstwę o grubości poniżej 10 µm.

Następnie utwardzaj wafle na płycie grzejnej o temperaturze 75 °C przez 30 minut. Dalej, użyj wyrównywacza UV z mocą 10 mW/s, aby wycentrować miedziany wzór elektroniczny względem wafla. Zastosuj czas naświetlania wynoszący 25 sekund.

Wzór fraktalny jest wykorzystywany do tworzenia sensorów, natomiast otwarta siatka służy do wykonania połączeń elektrycznych. Wywołać fotorezyst w 33% roztworze wywoływacza przez jedną minutę. Następnie opłukać chipy wodą dejonizowaną i osuszyć je strumieniem azotu.

Przed kontynuacją należy sprawdzić wzory pod mikroskopem w celu wykrycia ewentualnych wad. Następnie należy wytrawić miedź na waflu, stosując sześciominutową kąpiel w roztworze trawiącym. Po trawieniu wafle należy opłukać i osuszyć.

Podobnie jak poprzednio, sprawdź wytrawione wzory pod mikroskopem; przetrawienie miedzi o ponad 20% prowadzi do awarii mechanicznych. Aby wytrawić warstwę chromu, zastosuj pięciominutowe trawienie jonami reaktywnymi. Po sprawdzeniu procesu trawienia usuń pozostałości fotorezystu za pomocą 10 milliliters acetonu, a następnie 10 milliliters izopropanolu.

Po trzecie, 20 milliliters wody dejonizowanej. Po kąpielach należy wysuszyć wafle pod strumieniem azotu. W ramach niniejszego protokołu należy przygotować 10 grams mieszaniny silikonu enkapsulującego dla materiału docelowego, na który zostaną przeniesione elementy elektroniczne, w szalce Petriego o szerokości 10 centimeter.

Nanieś metodą spin-coatingu osiem gramów mieszaniny przy 150 RPM przez minutę, aby uzyskać powłokę silikonową o grubości pół milimetra. Pozostaw do utwardzenia przez noc w temperaturze pokojowej.

Następnie naklejcie docięte kawałki taśmy rozpuszczalnej w wodzie na chipy z wzorami, aby służyły one jako powierzchnia laminatu dla wzorów elektronicznych. Po naklejeniu taśmy podgrzewajcie wafle przez trzy minuty w temperaturze 130 stopni Celsjusza. Następnie szybko oderwijcie taśmę, aby odłączyć i odzyskać elektronikę na wzory odbiorcze.

Użyj naparowania wiązką elektronów, aby nanieść 20 nanometrów chromu w celu zwiększenia adhezji. Następnie nanieś 50 nanometrów dwutlenku krzemu na warstwę chromu. Teraz wyjmij warstwę krzemionkową i naświetl ją światłem UV o długości fali 365 nanometrów przez dwie minuty z mocą 8,9 miliwatów na centymetr kwadratowy.

Dzięki temu powierzchnia zostaje aktywowana za pomocą aktywowanego silikonu. Wciśnij odzyskaną elektronikę w silikon, rozkładając ją równomiernie na materiale docelowym. Następnie potraktuj taśmę wodą, aby ją rozpuścić, a po pięciu minutach odklej taśmę.

Następnie opłucz silikon wodą dejonizowaną i osusz na płycie grzejnej o temperaturze 90 °C przez minutę. Aby stworzyć urządzenie, zacznij od przykrycia pól kontaktowych prostokątnym kawałkiem PDMS, wykorzystując siły wiązania Van der Waalsa. Następnie, w celu przeniesienia elektroniki, naniesienie metodą spin-coatingu 5 g zamkniętej w kapsułce mieszaniny silikonowej przy 4 000 RPM przez minutę.

W ten sposób powstaje warstwa o grubości pięciu mikronów, która jest utwardzana przez noc w temperaturze pokojowej. Następnego dnia oczyść pady czujnika przy użyciu 0,5 mL ciekłego topnika do stali przez trzy sekundy. Następnie przytwierdź elastyczną taśmę sygnałową do punktów styku, stosując nacisk i temperaturę powyżej 60 °C.

Sprawdź połączenia za pomocą multimetru. Rezystancja między polem czujnika a taśmą w odległości jednego centymetra powinna być mniejsza niż jeden om; w ten sam sposób przymocuj drugi koniec taśmy do dostosowanej płytki drukowanej. Na koniec podłącz urządzenie do sprzętu akwizycji danych, przylutowując zwykłe przewody do PCB.

Zastosowano opisany protokół w celu wykonania elektronicznego urządzenia sensorowego. Zbadano elastyczność urządzenia. Nie odnotowano pęknięć mechanicznych pod wpływem naprężenia rozciągającego, a urządzenie pozostało funkcjonalne.

Opór w sześciu miejscach rozmieszczenia czujników zmierzono przy użyciu wysokoprecyzyjnej płyty grzejnej. Wykazano liniową zależność, która potwierdziła, że czujniki zostały odpowiednio skalibrowane do wykrywania subtelnych zmian temperatury. Ponadto, do oceny przewodności cieplnej urządzenia w warunkach klinicznych wykorzystano zmodyfikowany sygnał trzech omega.

Urządzenie zostało wykorzystane do monitorowania gojenia rany po operacji przez okres do jednego miesiąca. W ten sposób mierzono temperaturę procesu gojenia rany. W trzeciej dobie w miejscu rany wystąpił intensywny stan zapalny, co odzwierciedla gwałtowny wzrost temperatury zarejestrowany przez urządzenie.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat tego, jak wykonać konformalne schemiczne urządzenie elektryczne do ilościowego zarządzania ranami u pacjentów.