Fabricação e caracterização de um Sistema Eletrônico Conformal-pele como para a gestão quantitativa, Ferida Cutânea
2 de setembro de 2015
Este artigo apresenta métodos para fabricar e caracterizar um sistema eletrônico semelhante à pele e protocolos para uso em aplicações clínicas, particularmente no tratamento de feridas cutâneas.
O objetivo geral deste procedimento é fabricar um dispositivo eletrônico semelhante à pele para o gerenciamento quantitativo de feridas cutâneas. Isso é realizado primeiramente desenvolvendo um dispositivo eletrônico sobre um substrato transportador. O segundo passo é preparar uma membrana elastomérica para embutir a eletrônica.
Em seguida, os dispositivos eletrônicos fabricados são retirados do composto de fabricação e transferidos para a membrana. Os passos finais consistem em revestir os dispositivos com uma camada de silicone e conectar um cabo flexível para aquisição de dados. O dispositivo concluído é laminado próximo ao tecido da ferida de um paciente para monitorar o tempo, a temperatura variável e a condutividade térmica do tecido no gerenciamento da ferida.
A principal vantagem deste dispositivo em comparação com ferramentas existentes baseadas em inspeções visuais microscópicas é que ele pode fornecer monitoramento quantitativo multifuncional de temperatura e condutividade térmica próxima ao tecido da ferida. O dispositivo macio, biocompatível e aderente à pele oferece as funções e características necessárias para uso em ambientes clínicos, tendo grande potencial para abordar questões importantes no tratamento de feridas crônicas. Este protocolo de centrifugação pode ser realizado em lâminas de silício de qualquer tamanho.
Para iniciar, desengrase os wafer com acetona e álcool isopropílico. Em seguida, enxágue-os com água deionizada e seque-os sob fluxo de nitrogênio. Desidrate o wafer por três minutos em uma placa aquecida ajustada a 110 graus Celsius.
Agora, aplique por centrifugação cinco gramas de PDMS sobre as pastilhas a 3000 RPM durante um minuto, concluindo o processo com a cura das pastilhas em uma placa aquecida ajustada a 150 graus Celsius por meia hora. Após tratar por UV as pastilhas revestidas com PDMS por três minutos, aplique por centrifugação poliamida sobre as pastilhas. Adicione dois mililitros com uma pipeta e gire a 4.000 RPM durante um minuto para obter uma camada de 1,2 mícron.
Em seguida, pré-aqueça as pastilhas em uma placa quente a 150 graus Celsius por cinco minutos e as asse em forno a 250 graus Celsius por duas horas. A seguir, utilizando uma deposição por evaporação com feixe de elétrons, deposite uma camada de 20 nanômetros de espessura de cromo para adesão, seguida por uma camada de três mícrons de espessura de cobre para condutividade. Em seguida, aplique dois mililitros de fotoresina nas pastilhas por centrifugação em três etapas, obtendo uma camada inferior a 10 mícrons.
Agora, cure as pastilhas em uma placa aquecida a 75 °C por 30 minutos. Em seguida, utilize um alinhador de UV a 10 mW/s para centralizar o padrão eletrônico de cobre na pastilha. Utilize um tempo de exposição de 25 segundos.
Um padrão fractal é utilizado para fabricar sensores e uma malha aberta é criada para os interconectores. Desenvolva a resistência fotográfica em solução reveladora a 33% por um minuto. Em seguida, enxágue os chips com água desionizada e seque-os sob um fluxo de nitrogênio.
Antes de prosseguir, verifique os padrões em um microscópio quanto a defeitos. Em seguida, grave o cobre no wafer utilizando um banho de seis minutos em solução de ataque químico. Após a gravação, enxágue e seque os wafers.
Como antes, verifique os padrões gravados ao microscópio, pois uma supergravação superior a 20% leva a falhas mecânicas. Para gravar a camada de cromo, utilize cinco minutos de gravação iônica reativa. Após verificar a gravação, remova as resistências fotográficas remanescentes com 10 mililitros de acetona, seguidos por 10 mililitros de isopropanol.
E, em terceiro lugar, 20 mililitros de água deionizada. Após os banhos, seque as pastilhas sob fluxo de nitrogênio. Para este protocolo, prepare 10 gramas de uma mistura de silicone encapsulante para o material-alvo sobre o qual os dispositivos eletrônicos serão transferidos para uma placa de Petri de 10 centímetros de largura.
Aplicar por centrifugação, oito gramas da mistura a 150 RPM durante um minuto. Para um revestimento de silicone de meio milímetro. Deixe curar durante a noite à temperatura ambiente.
Em seguida, fixe pedaços de fita solúvel em água nos chips de padrão para atuar como uma superfície laminada para os padrões eletrônicos. Após fixar a fita, aqueça as pastilhas por três minutos a 130 graus Celsius. Em seguida, remova rapidamente a fita para destacar e recuperar os componentes eletrônicos sobre os padrões de recuperação.
Utilize a evaporação por feixe eletrônico para depositar 20 nanômetros de cromo para melhor adesão. Em seguida, deposite 50 nanômetros de dióxido de silício sobre a camada de cromo. Agora recupere a camada de silicone e trate-a com luz UV de 365 nanômetros por dois minutos a 8,9 miliwatts por centímetro quadrado.
Isso ativa a superfície com o silicone ativado. Pressione os componentes eletrônicos recuperados contra o silicone, distribuindo-os uniformemente sobre o material de destino. Em seguida, trate a fita com água para dissolvê-la e, após cinco minutos, remova a fita.
Em seguida, lave a silicone com água deionizada e seque em uma placa quente a 90 graus Celsius por um minuto. Para criar o dispositivo, comece cobrindo os pads de contato com um pedaço retangular de PDMS usando a força de ligação de Vander Wall. Agora, para transferir os eletrônicos, centrifugue cinco gramas da mistura de silicone encapsulada a 4.000 RPM por um minuto.
Isso forma uma camada com cinco mícrons de espessura, que é curada durante a noite à temperatura ambiente. No dia seguinte, limpe os pads do sensor com meio mililitro de fluxo líquido para aço durante três segundos. Em seguida, fixe um cabo flexível em fita aos pontos de contato aplicando pressão e calor acima de 60 graus Celsius.
Verifique as conexões com um multímetro. A resistência entre a pastilha do sensor e o cabo da película distantes um centímetro deve ser inferior a um ohm. Una a outra extremidade do cabo flexível a uma placa de circuito personalizada da mesma maneira. Por fim, conecte o dispositivo ao hardware de aquisição de dados soldando fios convencionais à placa de circuito impresso (PCB).
Utilizando o protocolo descrito, o dispositivo sensor eletrônico foi fabricado. A flexibilidade do dispositivo foi analisada. Não ocorreu fratura mecânica sob deformação trativa e o dispositivo permaneceu funcional.
A resistência em seis locais do sensor foi medida utilizando uma placa aquecida de alta precisão. Houve uma relação linear, indicando que os sensores estavam bem calibrados para detectar alterações sutis de temperatura. Além disso, um sinal três ômega adaptado foi utilizado para avaliar a condutividade térmica com o dispositivo em um ambiente clínico.
O dispositivo foi utilizado para monitorar a cicatrização de feridas após cirurgia por até um mês. Assim, a temperatura do processo de cicatrização foi medida. Houve inflamação intensa no local da ferida no terceiro dia, o que se reflete no pico de temperatura medido pelo dispositivo.
Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como fabricar um dispositivo elétrico esquêmico conformal para o manejo quantitativo de feridas em pacientes.
Veja a transcrição completa e aceda a milhares de vídeos científicos
Visão Geral
Este artigo apresenta métodos para fabricar e caracterizar um sistema eletrônico conformável, semelhante à pele, para aplicações clínicas, particularmente no tratamento de feridas cutâneas. O dispositivo foi projetado para monitorar diversos parâmetros relacionados à cicatrização de feridas.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Engenharia Biomédica
- Tratamento de Feridas
- Dispositivos Eletrônicos
Contexto
- Dispositivos eletrônicos semelhantes à pele podem aprimorar o atendimento ao paciente.
- O monitoramento da cicatrização de feridas é essencial para um tratamento eficaz.
- Os métodos existentes podem carecer de aquisição de dados em tempo real.
- Avanços na ciência dos materiais permitem novas técnicas de fabricação de dispositivos.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um dispositivo eletrônico semelhante à pele para o gerenciamento quantitativo de feridas cutâneas.
- Fornecer monitoramento em tempo real das condições da ferida.
- Melhorar os resultados clínicos por meio de uma coleta de dados aprimorada.
Métodos Utilizados
- Fabricação de um dispositivo eletrônico em um substrato portador.
- Preparação de uma membrana elastomérica para embutir a eletrônica.
- Transferência da eletrônica fabricada para a membrana.
- Encapsulamento da eletrônica com um revestimento de silicone e conexão de um cabo flexível para aquisição de dados.
Resultados Principais
- O dispositivo monitora com sucesso o tempo, a temperatura e a condutividade térmica do tecido.
- A aquisição de dados em tempo real foi alcançada durante o tratamento de feridas.
- O sistema eletrônico semelhante à pele demonstrou compatibilidade com o tecido da ferida.
- As aplicações clínicas foram validadas por meio de testes preliminares.
Conclusões
- O dispositivo desenvolvido oferece uma abordagem inovadora para o tratamento de feridas.
- O monitoramento em tempo real pode levar a melhores resultados para os pacientes.
- Estudos futuros podem ampliar as aplicações clínicas dessa tecnologia.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Sistemas eletrônicos quantitativos, semelhantes à pele, para o gerenciamento de feridas atendem à necessidade de monitoramento objetivo e em tempo real da cicatrização cutânea, reduzindo a dependência de inspeção visual subjetiva. Esta tecnologia permite medições de alta fidelidade de temperatura e condutividade térmica no local da ferida, oferecendo suporte confiável para prever a evolução da lesão e o momento adequado para intervenções. A integração desses dispositivos nos fluxos de P&D aprimora a continuidade translacional, desde a prototipagem do dispositivo até sua validação clínica.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite avaliação objetiva da dinâmica da cicatrização de feridas por meio de medições quantitativas de temperatura e condutividade.
- Apoia a redução de riscos mecanicistas ao correlacionar alterações fisiológicas com leituras do dispositivo.
- Facilita a validação funcional de alvos de cicatrização de feridas em ambientes pré-clínicos e clínicos.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaio
- Oferece uma plataforma padronizada e reprodutível para avaliar intervenções no processo de cicatrização de feridas.
- Fornece resultados quantitativos adequados para análise comparativa entre compostos ou modalidades.
- Permite escalabilidade do ensaio e reutilização em ambientes de pesquisa pré-clínica e clínica.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha as saídas do dispositivo com biomarcadores clinicamente relevantes, como temperatura local e condutividade tecidual.
- Apóia a continuidade da caracterização do dispositivo em bancada até o monitoramento de feridas baseado em pacientes.
- Informa decisões de avanço ajustadas ao risco ao fornecer dados em tempo real e acionáveis.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Esse sistema eletrônico semelhante à pele insere-se no espectro que vai da fabricação e caracterização de dispositivos até o monitoramento clínico de feridas, conectando a descoberta inicial e a pesquisa translacional.
- Biologia de Descoberta: A medição quantitativa de parâmetros no local da lesão permite testar hipóteses e reduzir riscos biológicos.
- Triagem: Saídas padronizadas do dispositivo facilitam a avaliação reprodutível da eficácia de intervenções.
- Análise: Dados de alta fidelidade de temperatura e condutividade apoiam comparações estatísticas robustas.
- Pesquisa Translacional: O desempenho do dispositivo em ambientes clínicos garante o alinhamento de biomarcadores e a continuidade entre pré-clínico e clínico.
- Reutilização Corporativa: A flexibilidade e reutilização da plataforma apoiam ampla aplicação em estudos de manejo de feridas.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista em estudos de cicatrização de feridas.
- Valor Operacional: Promove a padronização, reprodutibilidade e escalabilidade na avaliação de feridas baseada em dispositivos.
- Valor Estratégico: Permite decisões orientadas por dados sobre continuidade ou interrupção de projetos e otimiza a alocação de recursos em portfólios de tratamento de feridas.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco de intervenções em gestão de feridas e inovações em dispositivos.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em microfabricação, ciência dos materiais e integração de dispositivos.
- Exige acesso a infraestrutura de revestimento por centrifugação, evaporação por feixe de elétrons e aquisição de dados.
- Exige padronização entre equipes para a fabricação de dispositivos e implantação clínica.
- Adaptável a diversos modelos de feridas e populações de pacientes mediante ajustes no protocolo.
- As limitações incluem a necessidade de calibração e validação em diversos cenários clínicos.
