Wytwarzanie cienkich elektrod na końcówce igły podskórnej przy użyciu powłoki Photoresist Spray Coating i elastycznej fotomaski do zastosowań biomedycznych
28 listopada 2017
Metoda wytwarzania cienkich elektrod międzypalcowych (szczelina i szerokość: 20 μm) na końcu igły podskórnej (średnica: 720 μm) jest demonstrowana przy użyciu powłoki natryskowej i elastycznej folii fotomaski w procesie fotolitografii.
Ogólnym celem tego protokołu jest wytworzenie cienkich elektrod międzypalcowych na końcówce igły podskórnej o średnicy mniejszej niż jeden milimetr do zastosowań biomedycznych. Ta metoda pozwala uzyskać metalowy wzór dialektów na zaokrąglonej końcówce igły podskórnej za pomocą natryskiwania fotorezystu i procesu fotolitografii z elastyczną folią na maskę. Wyprodukowany czujnik mikrodiodowy może być szeroko stosowany do zastosowań biomedycznych, takich jak dostarczanie leków, biopsja, a nawet chirurgia z wysoką precyzją poprzez kauteryzację elektrofotometru celowego.
Aby rozpocząć tę procedurę, odetnij trzycentymetrową rurkę termokurczliwą, dostosowując długość w razie potrzeby w oparciu o głębokość penetracji igły podskórnej. Włóż igłę podskórną do przeciętej rurki termokurczliwej. Za pomocą opalarki ustaw na 150 stopni Celsjusza i obkurcz rurkę.
Następnie oddzielić igłę podskórną od jej piasty. Oczyścić igłę w dejonizowanej łaźni wodnej z mieszaniem ultradźwiękowym. Następnie użyj gorącej płyty ustawionej na 105 stopni, aby odwodnić izolowaną igłę przez 10 minut.
Następnie nałóż taśmę dwustronną na czyste szkiełko podstawowe. Ułóż czystą, izolowaną igłę obok siebie po odsłoniętej stronie taśmy dwustronnej. Za pomocą sprzętu do rozpylania nałóż chrom i złoto na igły, jak opisano w protokole tekstowym.
Najpierw użyj taśmy dwustronnej, aby przymocować jedną ze złotych igieł napylonych do szklanego szkiełka. Podgrzej uchwyt powlekarki natryskowej do 100 stopni Celsjusza. Umieść suwak na podgrzewanym uchwycie.
Pozwól igle się nagrzać przez dwie do trzech minut. Następnie spryskaj fotorezystem złotą igłę, nadal podgrzewając, używając warunków pokazanych tutaj. Następnie pozostaw szkiełko szkiełkowe na uchwycie do podgrzania do 100 stopni Celsjusza przez trzy minuty, aby uzyskać miękkie pieczenie.
Używając mikroskopu ustawionego na 100-krotne powiększenie, sprawdź igłę, aby określić, czy fotorezystor jest równomiernie pokryty. Najpierw powoli podnieś swobodnie ruchomą płytkę przytrzymującą próbkę, aż całkowicie zetknie się z nieruchomą płytką mocującą fotomaskę. Za pomocą pompy pneumatycznej zamocuj płytkę przytrzymującą próbkę.
Następnie umieść igłę pokrytą fotorezystem na płytce do przytrzymywania próbki. Wyrównaj dwie linie graniczne z wyświetlanego obrazu z dwiema równoległymi liniami wyrównania z fotomaski za pomocą monitora CCD, aby monitorować proces w czasie rzeczywistym. Powoli podnieś igłę, aby zetknęła się z zamocowaną elastyczną fotomaską.
Wystaw igłę na działanie światła UV przez 30 sekund z intensywnością 15 milidżuli na centymetr kwadratowy. Następnie przeprowadzaj proces opracowywania przez trzy minuty. Następnie użyj wody dejonizowanej, aby wypłukać wywoływacz z próbki.
Za pomocą mikroskopu ustawionego na 200-krotne powiększenie określ, czy fotorezystor jest wyraźnie wzorzysty. Jeśli naświetlony fotorezyst nie zostanie idealnie usunięty, powtórz proces wywoływania w 30-sekundowych odstępach. Za pomocą pęsety odłącz próbkę od szkiełka podstawowego.
Zanurz w złotym mokrym wytrawiaczu na jedną minutę. Następnie użyj wody dejonizowanej, aby wypłukać wytrawiacz. Używając mikroskopu ustawionego na 200-krotne powiększenie, sprawdź wynik.
Jeśli nadal pozostaje złoto do usunięcia, powtórz proces trawienia w 10-sekundowych odstępach. Następnie zanurz igłę w wytrawiaczu chromowym na 30 sekund. Użyj wody dejonizowanej, aby wypłukać wytrawiacz po zakończeniu.
Zanurz wytrawioną igłę w roztworze acetonu na jedną minutę. Następnie spłucz wodą dejonizowaną. Przenieść próbkę na płytę grzejną podgrzaną do 105 stopni Celsjusza w celu odwodnienia przez 10 minut.
Następnie przetnij rurkę termokurczliwą tak, aby była o dwa do trzech milimetrów dłuższa niż elektroda. Za pomocą opalarki podnieś temperaturę rurki termokurczliwej do 150 stopni, aby szczelnie pasywować igłę. W tym badaniu elektrody międzypalcowe są wytwarzane na końcach igieł podskórnych przy użyciu powłoki w sprayu fotorezystu i elastycznej fotomaski.
Elektrody są z powodzeniem wytwarzane o średnicy 820 mikrometrów, podczas gdy margines produkcyjny od końcówki igły wynosi zaledwie 680 mikrometrów. Szerokość i szczelina fotomaski, które wynoszą odpowiednio 25 mikrometrów i 15 mikrometrów, zostały zaprojektowane tak, aby rozwiązać problem nierównowagi dawki UV, która wynika z niedoskonałego kontaktu między zewnętrzną częścią fotomaski a zakrzywioną powierzchnią igły. Zmiany te pozwalają na pomyślne wytworzenie zarówno szerokości, jak i szczeliny elektrod przy 20 mikrometrach poprzez optymalizację czasu ekspozycji na promieniowanie UV.
Zdolność dyskryminacyjną spektroskopii impedancji elektrycznej na igle ocenia się przy użyciu różnych stężeń PBS. Ponieważ PBS jest rozcieńczany szeregowo wodą dejonizowaną, przewodność elektryczna zmniejsza się wraz ze spadkiem stężenia PBS. W związku z tym wielkość impedancji wzrasta wraz ze spadkiem poziomu stężenia PBS.
W oparciu o tę zdolność do rozróżniania, profilowanie głębokości przeprowadza się z częstotliwością jednego megaherca przy użyciu czterowarstwowej tkanki wieprzowej. W zależności od głębokości penetracji EoN, wielkość impedancji i tkanki tłuszczowej jest wyraźnie odróżniana od wielkości tkanki mięśniowej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć, jak wytwarzać mikroelektrody na zaokrąglonej tacy, aby odczytać średnicę mniejszą niż jeden milimetr.
Obecnie lepiej znamy kliniczne zastosowanie czujników igłowych do uwłaczania znieczuleniu rdzeniowemu, biopsji tarczycy, a nawet operacji, takich jak chirurgia laparoskopowa i apronektomia pasyjna.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie demonstruje metodę wytwarzania drobnych elektrod międzypalcowych na końcach igieł pod skórnych do zastosowań biomedycznych. Technika wykorzystuje powlekanie opryskowym i fotolitografię z elastyczną maską fotolitograficzną, aby osiągnąć precyzyjne wzorce.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Mikrofabrykacja
- Czujniki elektrochemiczne
Tło
- Precyzyjne wytwarzanie elektrod jest kluczowe dla zaawansowanych zastosowań biomedycznych.
- Metoda ma na celu rozwiązanie problemów związanych z brakiem równowagi dawki UV podczas wzorcowania elektrod.
- Elektody międzypalcowe są szczególnie przydatne do precyzyjnych pomiarów w leczeniu medycznym.
- To badanie koncentruje się na powtarzalności i jednolitości w rozwoju elektrod.
Cel badania
- Wytworzenie elektrod międzypalcowych na igłach pod skórnych o średnicy mniejszej niż jeden milimetr.
- Aby umożliwić wysoką precyzję w zastosowaniach biomedycznych, takich jak podawanie leków i zabiegi chirurgiczne.
- Aby ocenić impedancję elektryczną wytworzonych czujników.
Stosowane metody
- Protokół opiera się na technikach fotolitograficznych i opryskiwania.
- Igła pod skórna służy jako główny model biologiczny do przymocowania czujnika.
- Badanie ocenia impedancję elektryczną w różnych stężeniach PBS.
- Kluczowe kroki obejmują przygotowanie igły, ekspozycję na UV, proces deweloperowania i procedury trawienia.
- Krytyczne kontrolowanie temperatury i czasu są podkreślane przez cały proces produkcji.
Główne wyniki
- Elektody zostały pomyślnie wytworzone z odstępem i szerokością 20 mikrometrów.
- Impedancja elektryczna znacznie różniła się w zależności od stężenia PBS, co pozwoliło na efektywną dyskryminację pomiarów.
- Badanie wykazało również zdolność do profilowania głębokości w tkankach świń.
- Udane wzorcowanie elektrod umożliwia zwiększoną precyzję w różnych zastosowaniach klinicznych.
Wnioski
- To badanie podkreśla nowatorskie podejście do wytwarzania mikroelektrod do zastosowań biomedycznych.
- Opracowany metodą przedstawia potencjał do zastosowania w warunkach klinicznych, takich jak znieczulenie kręgosłupa i biopsje.
- Podkreśla to postęp w rozumieniu technologii czujników dla różnych celów medycznych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This method enables precise microelectrode fabrication on hypodermic needles for biomedical sensing applications, supporting target tissue discrimination through electrical impedance measurements. The approach reduces invasiveness by positioning electrodes close to the needle tip, minimizing tissue penetration during diagnostic or therapeutic procedures. It enhances predictive confidence in early-stage biomedical device development by providing a reproducible platform for tissue characterization and margin detection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of tissue-specific electrical properties to validate biological targets based on impedance signatures.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of needle-integrated sensors for high-throughput tissue screening.
- Translational Value: Facilitates mechanistic de-risking by correlating electrical readouts with tissue composition in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, frequency-dependent impedance outputs for comparative analysis of biomaterial or drug interactions.
- Operational Value: Delivers reproducible electrode patterning with 20 µm feature resolution, ensuring assay standardization across batches.
- Translational Value: Enables label-free, real-time monitoring of tissue responses during compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates depth profiling capability in multilayered tissues, supporting discrimination between normal and pathological states.
- Operational Value: Utilizes durable PET heat shrink tubing for insulation, enhancing sensor stability in physiological environments.
- Translational Value: Supports surgical margin detection by identifying tissue boundaries via impedance shifts, reducing unnecessary resection.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling tissue characterization prior to lead identification, with outputs informing go/no-go decisions based on biological specificity.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing through electrical discrimination of tissue types, aiding in target validation and pathway analysis.
- Screening: Provides assay-ready microelectrodes with consistent geometry for reliable compound-tissue interaction measurements.
- Analytics: Yields impedance magnitude and frequency response data that enable quantitative comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by demonstrating tissue depth profiling in porcine models, aligning with histopathological assessment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable microfabrication platform adaptable to various needle gauges and biomedical sensing applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves target validation confidence by reducing false positives through direct tissue property measurement.
- Operational Value: Ensures reproducibility via photoresist spray coating and flexible photomask, minimizing variability in electrode fabrication.
- Strategic Value: Reduces late-stage attrition by enabling early detection of tissue-specific responses, improving capital efficiency in device development.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted advancement decisions by providing objective, quantitative tissue discrimination data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, photolithography, and electrochemical sensing for successful execution.
- Depends on access to sputter coaters, UV exposure systems, and etching equipment for metal deposition and patterning.
- Necessitates standardization of UV exposure and development timing to compensate for curvature-induced dose variations on needle tips.
- Involves adaptation considerations when transferring the method to different needle materials or diameters.
- Involves practical limitations related to the stability of the electrode-tissue interface under physiological conditions over extended use.
