Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Fremstilling og karakterisering af en Conformal Hud-lignende elektroniske system for kvantitativ, Kutan Wound Management

Published: September 2, 2015 doi: 10.3791/53037
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2,3
1Department of Mechanical and Nuclear Engineering, Virginia Commonwealth University, 2Center for Rehabilitation Science and Engineering, Virginia Commonwealth University, 3Massey Cancer Center, Virginia Commonwealth University

Introduction

I klinisk undersøgelse og biomedicinsk forskning, er overvågning af sårheling fokuseret på en invasiv metode, der er baseret på histologisk bedømmelse af væv morfologisk ændring i sår 1,2. For nylig, hurtige fremskridt i elektroniske teknologier gør det muligt at udvikle høj præcision billedbehandling og analyseværktøjer, der visuelt kan inspicere sårhelingsprocessen via digital billedbehandling 3,4 eller konfokal scanning mikroskopi og spektroskopi 4,5. Men disse billeddiagnostiske metoder kræver høje omkostninger, komplicerede optiske værktøjer og operationer, og endnu vigtigere, skal immobiliseres under test patienter. Der eksisterer derfor et behov for nye enheder og systemer, som er kvantitativ, non-invasive, let at bruge, billig og multifunktionel at tilbyde mere nøjagtig sårbehandling.

Her indfører vi en hud-lignende elektroniske system, der giver præcise, real-time kortlægning af temperatur- og termiske conductivity og leverer en præcis grad af opvarmning ved sårsteder via konform laminering af anordningen ikke-invasivt. Denne enhed udgør en klasse af teknologi, hud-monterede epidermale elektroniske systemer, der er designet til at matche til mekaniske og materialeegenskaber (samlet tykkelse, bøjningsstivhed, effektive moduli og massefylde) i epidermis 6-9.

Enheden er designet i et biokompatibelt, hudvenligt, vand-bevis, og genanvendelig form, der kan vaskes og desinficeres til kliniske applikationer på patienter 10. Conformal elektronisk anordning monteret nær sårvævene indfanger inflammation fase (en af sårhelingsprocessen), som følge af øget blodgennemstrømning og enzymatiske reaktioner til såret 11,12, via kvantitativ registrering af temperatur 8 og konduktivitet 13 termisk, korreleret til hydrering . Eksperimentelle og beregningsmæssige undersøgelser bestemme en optimal mekanik design til accommodspiste naturlige bevægelser og anvendt stammerne uden mekanisk brud og fange de underliggende fysik af strække mekanik af huden-lignende elektronik, -laminater konformt på hudoverfladen, som tilbyder erhvervelse af high fidelity signaler.

De er beskrevet i denne artikel, protokoller præsentere metoder til mikrofabrikation til hud-lignende elektroniske systemer, test forberedelse inklusive anordning rengøring, udstyr setup i et klinisk miljø, og kliniske applikationer til kvantitativ overvågning af temperatur og varmeledningsevne på kutane sår.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsøgene for indretningsfremstilling, hud laminering og karakterisering vist i figur 1, 2 og 4 er involveret to frivillige, alle udført i Bio-grænseflader nanoengineering Laboratory ved Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, VA, USA. Denne undersøgelse blev godkendt af VCU Institutional Review Board (protokol nummer: HM20001454) og fulgt retningslinjerne forskning fra VCU menneskelige forskningspotentiale. Enheden og kliniske data vist i figur 3 og 5 blev erhvervet fra den offentliggjorte artikel 10, hvor eksperimenter på patienterne blev gennemført i henhold til protokollen (nummer: STU69718) godkendt af Institutional Review Board, Northwestern University, Chicago, IL, USA.

1. Enhed Fabrication

BEMÆRK: Figur 2 viser skematiske illustrationer til den samlede fremstillingsproces.

  1. Forbered en bærersubstrat
    1. Skær et bart 3 i silicium (Si) wafer i den ønskede størrelse af elektronik ved hjælp af en diamantskive.
      BEMÆRK: Omkring halvdelen Si wafer giver en ideel størrelse for såret enhed.
    2. Affedt Si wafer med acetone og isopropylalkohol (IPA). Skyl wafer med deioniseret (DI) vand, og tør med nitrogen og dehydrere på en varmeplade ved 110 ° C i 3 minutter.
    3. Forbered 11 g polydimethylsiloxan (PDMS) blanding med 10: 1 volumenforhold af base og hærder og afgasses blandingen i et vakuumkammer i en time.
      BEMÆRK: PDMS bruges til en tør mønster hentning og overføre udskrivningen efter mikrofabrikation, hvilket er at foretrække frem for den våde kemiske (acetone) -baseret tilgang fra den tidligere undersøgelse 7.
    4. Spin coat 5 g blandede PDMS løsning på skiven ved 3000 rpm i 1 min og hærde fuldstændigt på en varmeplade ved 150 ° C i 30 minutter.
  2. Depositum materialer og mønster elektronik
    1. Behandl PDMS-coated wafer med ultraviolet (UV) / ozon ved anvendelse af en UV-lampe (8,9 mW / cm2) i 3 minutter for at gøre overfladen hydrofil.
      BEMÆRK: hydrofil overflade giver en ensartet belægning af yderligere lag på PDMS.
    2. Spincoat polyimid (PI, 2 ml) på de PDMS-overtrukne wafer, ved pipettering, ved 4.000 rpm i 1 min for at danne en 1,2-um-tykt lag, pre-bage på en varmeplade ved 150 ° C i 5 minutter, og post- bages ved 250 ° C i 2 timer.
    3. Deposit chrom (Cr) for at danne en 20 nm-tykt lag og derefter deponere kobber (Cu) til dannelse af en 3 um-tykt lag ved hjælp elektronstråle (e-stråle) inddampning (base tryk: ~ 1 × 10 -7 Torr , deposition pres: ~ 1 × 10 -6 Torr, afsætningshastighed: 1 - 5 A / S). Overvåg lagtykkelse ved aflejring grænseflade til indlejret i fordamperen.
      BEMÆRK: tykt lag af Cu giver nok niveauer af elektrisk ledningsevne på mikroskala modstande på enheden og tynde lag Crbruges til at fremme adhæsion mellem PI og Cu.
    4. Spincoat en fotoresist (2 ml) med tre trin ved 900 rpm i 10 sek, 1.100 rpm i 60 sek, og 4000 rpm i 20 sek og derefter hærde den på en varmeplade ved 75 ° C i 30 minutter.
      BEMÆRK: De sekventielle trin beskrevet ovenfor blev anvendt til at deponere en tyk (> 10 um) fotoresist.
    5. Juster Cu elektroniske mønstre (sensorer, fraktal 'Peano' design med 35 um i bredden og forbinder; Serpentine åben mesh design med 50 um i bredden) i centrum af Si wafer ved hjælp af en UV-aligner (effekt: 10 mW / sek) med eksponeringstid 25 s.
      BEMÆRK: De fraktale strukturer bruges til at give overlegen mekanisk strækbarhed, sammenlignet med blot at slyngede funktioner 14.
    6. Udvikle fotoresist i en fortyndet base, udvikler (1: 2-forhold af fremkalder og DI vand) i et minut, skylles med deioniseret vand og tør med nitrogen. Undersøg de mønstre (Cu fraktaler og interconnects) ved hjælp af en mikromulighed for at bekræfte funktionen størrelse og finde nogen fejl fra partikler.
      BEMÆRK: Hvis der er nogen uønskede defekter, derefter fjerne fotoresist ved at skylle med acetone / IPA / DI vand. Efter tørring med nitrogen, skal du gentage trinene fra 1.2.4 til 1.2.6.
    7. Ætse Cu lag på Si wafer ved nedsænkning i en vådkemisk ætsemiddel for ~ 6 min (10 ml; blanding af ammoniumpersulfat og vand i forholdet 1: 4; etch på 8 nm / sek i 40 ° C), skylning med DI-vand og tør med nitrogen. Undersøg mønstre ved hjælp af et mikroskop for eventuelle over-ætset mønstre.
      BEMÆRK: Hvis de mønstre er over-ætset, kan det forårsage uønskede skarpe kanter af funktioner, hvilket kunne føre til mekanisk brud under enhedens håndtering og vaskeprocessen. De tidligere resultater forsøg viste, at over ~ 20% over-ætsning af originale mønstre forårsaget de førnævnte problemer.
    8. Ætse Cr lag med reaktiv ion ætsning (RIE, tryk: 300 mTorr, magt: 200 W, CF 4 gas: 5 sccm, O 2 gas: 10 SCCM) i 5 min. Undersøg de mønstre.
      BEMÆRK: ætsning af Cr laget, den RIE processen er at foretrække frem for våd kemisk ætsning, der forårsager ugunstige reaktion med Cu lag.
    9. Fjern forblev fotoresist på metallag ved at nedsænke wafer i acetone (10 ml), IPA (10 ml), og DI-vand (20 ml), henholdsvis. Derefter tør den med nitrogen.
    10. Spincoat PI (2 ml) på metal afsat wafer, ved pipettering, ved 4000 rpm i 1 min for at danne en 1,2-um tykt lag, pre-bage på en varmeplade ved 150 ° C i 5 minutter, og post-bages ved 250 ° C i 2 timer.
    11. Spincoat en fotoresist (2 ml) med tre trin ved 900 rpm i 10 sek, 1.100 rpm i 60 sek, og 4000 rpm i 20 sek og derefter hærde den på en varmeplade ved 75 ° C i 30 minutter.
    12. Juster PI mønstre at indkapsle Cu elektronik (sensorer, fraktal 'Peano' design med 35 um i bredden og forbinder; Serpentine åben mesh design med 250um i bredden) med de foruddefinerede Cu fraktaler og forbinder ved hjælp af en UV aligner (effekt: 10 mW / sek) med eksponeringstid 25 sek.
    13. Udvikle fotoresist med en fortyndet udvikler (1: 2-forhold af fremkalder og DI vand) i et minut, skylles med deioniseret vand og tør med nitrogen. Undersøg mønstre ved hjælp af et mikroskop for at bekræfte funktionen størrelse og finde nogen fejl fra partikler.
      BEMÆRK: Hvis der er nogen uønskede defekter, derefter fjerne fotoresist ved at skylle med acetone / IPA / DI vand. Efter tørring med nitrogen, skal du gentage trinene fra 1.2.10 til 1.2.13.
    14. Etch PI lag med RIE (tryk: 170 mTorr, magt: 150 W, O 2 gas: 20 SCCM) i 25 min. Undersøg de mønstre.
    15. Fjern forblev fotoresist ved at nedsænke wafer i acetone (10 ml), IPA (10 ml), og DI-vand (20 ml), henholdsvis. Derefter tør den med nitrogen.
  3. Forbered en elastomer membran
    1. Forbered en 10 g indkapsle silicone blanding (1:1 volumenforhold af base og hærder) og tilføje et sort blæk 15 med 00:59 volumenforhold, som er at lette kontrolmålinger af temperaturudsving på huden ved hjælp af et infrarødt kamera.
      BEMÆRK: udnyttede silikone (klar indkapsling gummi) giver unikke egenskaber med lav viskositet, optisk klarhed, og elektrisk isolering / beskyttelse til enheden 16.
    2. Spincoat 8 g af blandingen i en petriskål ved 150 rpm i 1 min for at danne en 500 um tyk elastomer membran og hærdning ved stuetemperatur i O / N.
      BEMÆRK: Materialet skal placeres på en flad overflade for ensartet tykkelse.
    3. Skær membran til den ønskede størrelse på 70 mm x 30 mm ved hjælp af en skarp barberblad og forsigtigt afmontere det fra petriskålen.
  4. Hent og overføre elektronik
    1. Skær en vandopløselig tape (25 mm x 80 mm) og forsigtigt laminere på de færdige elektroniske mønstre og placere dem på en varmeplade ved 130 ° Ci 3 minutter.
      BEMÆRK: temperaturstigning udvider PDMS lag på Si wafer at hjælpe dissociation af de elektroniske mønstre fra overfladen.
    2. Tag båndet hurtigt fra PDMS / Si wafer at hente de elektroniske mønstre.
    3. Deponere en 20 nm tyk Cr (for adhæsion) efterfulgt af en 50 nm tyk siliciumdioxid (SiO 2) på hentede mønstre af e-beam fordampning.
    4. Behandle UV / ozon ved anvendelse af UV-lampe (365 nm, 8,9 mW / cm2) på målrettet siliconemembran i 2 minutter for at aktivere overfladen.
    5. Overfør mønstrene til siliconemembran ved at placere de hentede mønstre på båndet til den ønskede placering og jævnt tilsætning pres fra oversiden af ​​mønstrene ned til underlaget. Anvend vand til at opløse båndet i 5 minutter.
      BEMÆRK: beskrevne fremgangsmåde af materialer overførslen lettes ved kovalent binding (Si-O-Si) mellem den deponerede siliciumdioxid og UV-aktiverede silikone substrat 17
    6. Træk båndet, skyl med deioniseret vand, og tør på en varmeplade ved 90 ° C i 1 min.
  5. Indkapsle anordningen ved hjælp af en siliconemembran
    1. Forbered en 10 g indkapsle silicone blanding (1: 1 volumen-forhold på base og hærder).
    2. Dæk kabel kontaktpuder med et rektangulært stykke PDMS (22 × 6 × 1 mm3) af van der Waals binding med bunden siliconemembran, for at undgå silikoneovertræk puderne.
    3. Spincoat 5 g silicone blandingen ved 4000 rpm i 1 min for at danne en 5 um tykt lag af den overdragne elektronik og derefter hærde ved stuetemperatur i O / N.
  6. Tilslut et fleksibelt bånd kabel til dataopsamling
    1. Påfør flydende stål flux (0,5 ml), ved pipettering, på stikket puder i 3 sek at gøre ren overflade.
    2. Bond en tynd, fleksibel fladkabel på kontaktpunkterne med tryk ved høj temperatur (> 60 ° C). En typisk hår straighteneR tilbyder nem håndtering og limning.
      BEMÆRK: Mikro-film kablet er at foretrække frem for den konventionelle kabelforbundne lodning at undgå enhver mekanisk brud af de overførte metal membraner på en silikone.
    3. Kontrollér den elektriske tilslutning ved hjælp af et digitalt multimeter. Modstandsværdien forventes mindre end 1 Ohm mellem sensor pad med den ene ende og den anden ende af filmen kabel (Distance: ~ 1 cm fra hinanden).
    4. Binde den anden ende af fladkablet til et tilpasset printplade med den samme strategi beskrevet i trin 1.6.2.
    5. Kontrollér den elektriske tilslutning ved hjælp af et digitalt multimeter.
    6. Tilslut enheden med datafangst hardware ved lodning af konventionelle ledninger på PCB.

2. Klinisk Afprøvning

  1. Rengør enheden ved hjælp af et desinfektionsmiddel løsning
    1. Forbered 205 g af en fortyndet desinficerende opløsning (40: 1 volumenforhold mellem vand og opløsning).
    2. Sprayopløsning (10 g) på enheden, og suge det i 10 min.
      BEMÆRK: Den fortyndede desinfektionsmiddel renere kan opbevares ved stuetemperatur.
    3. Skyl med vand tre gange, og tør det med rene væv.
  2. Opsætning af en serie af udstyr til enhedens test
    1. Forberede og tilslut en lock-in forstærker med en strømkilde, en multiplexer, og den brugerdefinerede software installeret på en bærbar computer til dataregistrering.
    2. Anbring et infrarødt kamera på et stativ og fokusere på et mål objekt for termografi som reference.
    3. Opsæt systemparametre af en lock-in forstærker at måle varmeledningsevne (frekvens: 1 & 3 Hz tidskonstant: 3 og 1 sek, følsomhed: 1 mV, dynamisk reserve: høj reserve) og temperatur (frekvens: 997 Hz; tid konstant: 300 ms, følsomhed: 2 mV, dynamisk reserve: lav støj) med den anvendte konstant strøm (2 mA).
    4. Tilslut to sår enheder, udarbejdet af mikrofabrikation og overførsel trykning og monteret på såret ogkontralaterale steder, til multiplexeren lige før registrering af data fra en patient.
  3. Optag temperatur og varmeledningsevne
    BEMÆRK: dataindsamling software er skræddersyet, som fjernbetjening kan styre lock-in forstærker til real-time data overvågning og spare. I temperaturmålingen, er hvert datapunkt målt hver 300 ms til 20 sek. Sættet af data for de første 10 sek og næste 10 sek bruges til at beregne den gennemsnitlige temperatur værdi og standardafvigelse, hhv. De registrerede data derefter gemmes som en kommasepareret værdi-fil, som bruges til at plotte en graf til sammenligning med data fra infrarød termografi. Ved måling af varmeledningsevne, er 3Ω signaler direkte læses fra hardware skærmen (forstærker), som derefter anvendes til at beregne den termiske ledningsevne analytisk.
    1. Gnid forsigtigt enhedens ansøgning sites på huden ved hjælp af antiseptisk spritservietter 10.
    2. 2.3.2) Laminat to enheder på de ønskede hud steder ved forsigtigt at trykke enheden til huden med fingrene for at lette bløde limning: en på operationssåret stedet og den anden på den kontralaterale placering som reference.
    3. Mål den elektriske spænding (3Ω), relateret til varmeledningsevne, af indretningen ved at starte datafangst.
    4. Evaluere de opnåede data at kontrollere konform kontakt af anordningen til huden; unormal værdi (<0,1 W / mK) viser dårlig kontakt af indretningen.
    5. Mål den elektriske modstand til at bestemme temperaturfordeling og registrere data via brugerdefineret software.
    6. Tag optiske og IR-billeder af to enheder på huden.
    7. Sammenligne temperaturværdier fra IR-billeder med de registrerede data fra såret enhed (2.3.5). Føj begge værdier til at adskille kolonner i en tilpasset regneark.
  4. Analysere de registrerede data
    1. Eksporter de optagede data tiltilpassede skabelon til automatisk at beregne temperatur og varmeledningsevne fra et array af sensorer i indretningen.
    2. Plot dataene (temperatur og varmeledningsevne ifølge sensorplaceringen på en anden tidsskala) til sammenligning i løbet af én måned (fire sæt af data på dag 1, 3, 15 og 30).
    3. Analysere data ved at sammenligne en række temperatur og data varmeledningsevne i forhold til tidspunkt; Værdier med pludselige elevation eller drop fortælle ændring af sårheling fase og / eller uventede abnormitet på sårsteder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 giver et overblik over de karakteristiske træk ved konforme, hud-lignende elektronisk system, der er designet til kvantitativ, kutan sårbehandling på patienter. Det multifunktionelle elektroniske enhed består af mikroskala fraktale strukturer 3,14 og trådagtig Serpentine spor 9,17 på en tynd elastomer membran, der giver exceptionel mekanisk strækbarhed og bøjelighed. Den kompatibel enhed, der er fuldstændig indesluttet af silikone lag giver blid, reversibel laminering på huden gennem van der Waals interaktioner alene. De unikke egenskaber ved enheden omfatter biokompatibilitet, vandtæthed, lethed-i-brug, og mekanisk fleksibilitet til brug i realistiske kliniske omgivelser.

Integrationen af hybride materialer, såsom polymerer og et metal (silicone, polyimid og kobber) giver en elektrisk sikker, vandtæt og biokompatible enhed (figur 2A).En vifte af fraktal (kobber Cu) modstande (35 um i bredden og 3 um i tykkelse) er placeret ved den neutrale mekaniske plan, med medfølgende polyimid (PI, 1,2 um i tykkelse) lag, for at minimere anvendes bøjning stammer på kernen materiale (Cu) i kliniske anvendelser.

Den samlede tykkelse af enheden på en silikone membran er kun ~ 600 um ved at tilbyde ekstrem bøjelighed. De skematiske illustrationer i figur 2B beskriver microfabrication proces i huden-lignende elektroniske system. Den fremstillingsmetode kombinerer de traditionelle microfabrication teknikker (metallisering, fotolitografi og ætsning) med de nyudviklede transfer-trykteknikker (hentning, overførsel og limning) 9,14,18,19. Denne type af en enhed kan skaleres op ved hjælp af stor skala overførsel trykning med en automatiseret trykning udstyr 20,21.

Figur 3 opsummerer mechanical strækbarhed og elektrisk funktionalitet hud-lignende elektronik, rapporteret i tidligere arbejde 10. Mekanik og materialer undersøgelse fra finite element metoden (FEM) tilbyder det optimale systemdesign til at rumme de naturlige bevægelser og anvendte stammer, der er involveret i den kliniske anvendelse, uden mekanisk fraktur (figur 3A, øverst). Den eksperimentelle undersøgelse, der præsenterer mekaniske opførsel af den fraktale struktur med trækstyrke stammer op til 30% (figur 3aa, nederst) viser en god overensstemmelse med FEM resultater. Anordningen med mikroskala modstande anvendes til kvantitativ måling af temperatur og varmeledningsevne og levere præcise, lokal opvarmning (figur 3B - 3D). Kalibreringskurve elektrisk modstand ifølge temperaturændring blev opnået ved anvendelse af et infrarødt kamera og en høj følsomhed varmeplade (figur 3B). Evalueringsmetoden af ​​den målte ledningsevne var termisketilpasset fra 3 omega-teknik 13, der bruger 3 omega spændingssignaler på to forskellige vekselstrøm frekvenser (figur 3c). Anvendt elektrisk strøm (35 mA med 10 mW) til de fraktale modstande forekommer Joule-opvarmning, som tilbyder styrbar temperatur aktivering i en terapeutisk tilstand (figur 3D).

Af praktiske, kliniske anvendelser, den foreslåede renseprocessen af ​​håndholdt apparat involverer desinfektion før brug på patienter. Sprøjtning af en desinficerende opløsning på vandtæt enhed og efter skylning i vand tre gange forbereder indretningen til klinisk afprøvning (figur 4A og 4B). Vurderingen af kvalitative biokompatibilitet af indretningen anvender en digital kontakt mikroskop til visuel inspektion af hudoverfladen (figur 4C), som undersøger ændringen af hudfarve og tekstur over flere cyklusser for anvendelse på patienter. Et infrarødt (IR) thermography kan gøre en kvantitativ vurdering af de hudproblemer for omkring to uger (Figur 4D), da bivirkninger såsom erytem forårsager temperatur elevation 22. De undersøgte enheder er lamineret i nærheden sårvævene og den kontralaterale placering (som reference). Registrering af relevante parametre for temperatur og varmeledningsevne udføres ved hjælp af et dataopsamlingssystem og IR billedbehandling i en eksamen rum (figur 4E og 4F).

Figur 5 viser repræsentative data for kvantitativ måling af kutan sårheling på en patient fra en tidligere undersøgelse 10. En serie af billeder i figur 5A viser overvågningsprocessen af sårheling med huden monterede enhed i løbet af en måned. Såret enhed farvet med en sort blæk blev lamineret nær operationssåret. Pen markerer på huden guidede montering af enheden på samme sted for kvantitativ dat en sammenligning fra dag 1 til dag 30. Måling af temperatur og varmeledningsevne variation ved anvendelse af et array af sensorer i indretningen og sammenligning mellem hud- og referencesteder indfanger sårheling fase, inflammation (figur 5B - 5E). De meget følsomme, seks sensorer i såret enheden var i stand til at fange en minimal ændring af kropstemperaturen og punkt intense inflammation på dag 3 (figur 5B - 5C) og optage variation af varmeledningsevne (figur 5D - 5E). Et sæt af referencedata blev målt fra den kontralaterale side som kontrol.

Figur 1
Figur 1. Oversigt over egenskaber af huden-lignende, viklet overvågningsindretning på en patient.> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Device fabrikation (A) Skematisk illustration af enheden layouts (venstre -laget 1:. Transparent silikone øverst, lag 2: PI, lag 3: Cu, lag 4: PI, og lag 5: sort silikone på nederst) og afsluttet, fleksibel / strækbar elektronik (til højre). (B) Illustration af trin-for-trin produktionsprocessen (tværsnit). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Enhedens egenskaber (gengivet med tilladelse fra 10. (A) Finite element metoden (FEM) resultater (øverst) og de ​​tilsvarende forsøgsresultater (nederst) af en fraktal struktur under enaksede trækstyrke stammer op til 30%. (b) Måling af temperaturen ved hjælp af seks sensorer til kalibrering af anordningen. (C) Måling af termisk ledningsevne ved hjælp af tre sensorer til kalibrering af anordningen. (D) Infrarød termografi af anordningen, der blev anvendt som en mikro-varmelegeme med lokaliseret Joule-opvarmning . Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Klinisk test proces. (A) Desinfektion af enheden ved hjælp af et rengøringsmiddel.(B) Skylning med vand til at rengøre overfladen til klinisk afprøvning. (C) vurdering af huden ved hjælp af en digital kontakt mikroskop (venstre) og forstørret visning af huden (til højre). (D) Infrarød termografi af huden for kvantitativ vurdering af temperatur variation. (E) Klinisk indstilling for sårbehandling i en eksamen værelse. (F) Forstørret foto af de laminerede enheder nær såret (højre ben) og kontralaterale sted (venstre ben) væv. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5
Figur 5. Repræsentative data for kvantitativ forvaltning af sårheling med enheden (gengivet med tilladelse fra Advanced Healthcare Materials 10. (A) Billeder af såret med indretningen i løbet af en måned. (b) Registrering af temperaturfordelingen nær såret i en måned med seks sensorer i indretningen (indsat). (C) Registrering af temperaturfordelingen på en kontralateral placering som en reference. (D) Registrering af varmeledningsevne nær såret i en måned med tre sensorer i indretningen (indsat). (E) Optagelse af termisk ledningsevne på en kontralateral placering som reference. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af opstart støtte fra School of Engineering, Virginia Commonwealth University og nogle af elektroniske enheder var forberedt på microfabrication faciliteter i Wright Virginia Microelectronics Center. Vi anerkender forskere, der gjorde bidrag for enheden og kliniske data (figur 3 og 5 i dette papir), erhvervet fra den offentliggjorte artikel 10. W.-HY tak Yoshiaki Hattori for custom-made, dataregistrering software.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3" Silicon wafer University Wafer, USA Use as carrier to fabricate the device
Acetone Fisher Scientific, USA A18-1 Use to clean a wafer and to remove photoresist
Isopropanol (IPA) Fisher Scientific, USA A459-1 Use to clean a wafer
AZ4620 photoresist AZ Electrionic Materials, USA Use to make patterns on metals and polymers
AZ400K developer AZ Electrionic Materials, USA Use to develop AZ4620 photoresist
Chromium etchant Transene, USA 1020AC Use to etch Cr layer of device
Copper etchant Transene, USA ASP-100 Use to etch Cu layer of device
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) Dow Corning, USA 39100000 Use as a substrate for 'dry' retrieval
PI2545 polyimide HD MicroSystem, USA Use to encapsulate metal layer
Solaris Smooth-On, USA Use as substrate and to encapsulate device
Petridish Carolina, USA 741255 Use as mold to make substrate
Water-Soluble Wave Solder Tape 5414 3M, USA AM000000217 Use to retrive device from PDMS layer
High Activity Liquid Stainless Steel Flux Worthington, USA 331929 Use to remove oxidation layer on Cu
Flexible, micro-film cable Elform, USA Use to make the electrical connection between the electronic device and the data acquisition system
pH Neutral Cleaner Australian Gold, USA Use as disinfectant solution to clean device in clinical testing
Solder Kester, USA 24-6337-9703 Use as material to solder hard wires
Ultraviolet lamp Cole-Parmer, USA 97600-00 Use to activate PDMS layer as hydrophilic surface
Multiplexer FixYourBoard, USA U802 Use to acquire measurements from six sensing components 
DC/AC current source Keithley, USA 6221 Use to supply current
SMD Digital Hot Air Rework Station Aoyue, China 968A+ Use to solder hard wires, to electrically connect between the device and external instruments
Infrared camera FLIR, USA 435-0001-01-00 Use to take infrared images in experiment
Digital multimeter Fluke, USA 117 Use to check electrical connection
Lock-in amplifier Stanford Research System, USA SR830 Use to perform four-point-probe-measurement
Electron beam evaporator 9 scale Vacuum Products, USA Use to deposit thin films (Cu and SiO2)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Bioengineering Hud-lignende elektronik konform laminering sårbehandling multifunktionelle elektronik klinisk undersøgelse
Fremstilling og karakterisering af en Conformal Hud-lignende elektroniske system for kvantitativ, Kutan Wound Management
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lee, W., Kwon, O., Lee, D. S., Yeo,… More

Lee, W., Kwon, O., Lee, D. S., Yeo, W. H. Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management. J. Vis. Exp. (103), e53037, doi:10.3791/53037 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter