Summary
De fabricage methode voor fijne interdigitated elektroden (gap en breedte: 20 µm) op het puntje van een hypodermische naald (diameter: 720 µm) wordt aangetoond door middel van een spray coating en soepel vlies photomask in het fotolithografie proces.
Abstract
We hebben ingevoerd een fabricage methode voor elektrische impedantie spectroscopie (EIS) - op - een-naald (EoN: EIS-op-een-naald) vinden onderzoeken weefsels in het lichaam door te meten en analyseren van de verschillen in de elektrische impedantie tussen ongelijke biotissues. Deze paper beschrijft de fabricage methode van fijne interdigitated elektroden (IDEs) op het puntje van een hypodermische naald met behulp van een fotoresist spray coating en soepel vlies photomask in het fotolithografie proces. Een polyethyleentereftalaat (PET) warmte krimp buis (HST) met een wanddikte van 25 µm is werkzaam als de laag isolatie en passiveren. De PET HST toont een hogere mechanische duurzaamheid in vergelijking met poly(p-xylylene) polymeren, die op grote schaal als een diëlektrische laag materiaal gebruikt hebben. Bovendien toont de HST goede chemische weerstand tegen de meeste zuren en basen, dat is gunstig voor het beperken van chemische schade aan de EoN. Het gebruik van de EoN is vooral aangewezen voor de karakterisatie van chemische stoffen/biomaterialen of fabricage met behulp van zuur/basic chemicaliën. De verzonnen kloof en de breedte van de IDEs zijn zo klein als 20 µm, en de algehele breedte en lengte van de IDEs zijn 400 µm en 860 µm, respectievelijk. De marge van de fabricage van de tip (de afstand tussen het uiteinde van een hypodermische naald en startpunt voor de IDEs) van de hypodermische naald is zo klein als 680 µm, die aangeeft dat onnodig overmatig invasie in biotissues vermeden worden tijdens de elektrische impedantie-meting. De EoN heeft een hoog potentieel voor klinisch gebruik, zoals voor schildklier biopsieën en anesthesie drug levering in een spinale ruimte. Verder, zelfs in de chirurgie waarbij de gedeeltelijke resectie van tumoren, de EoN kan worden gebruikt om te behouden als veel normale weefsel mogelijk door het detecteren van de chirurgische marge (normale weefsel dat wordt verwijderd met de chirurgische excisie van een tumor) tussen de normale en laesie weefsels.
Introduction
Injectienaalden zijn wijd gebruikt in ziekenhuizen voor biopsieën en drug delivery, omdat ze goedkoop en makkelijk te gebruiken zijn. Ze hebben ook uitstekende mechanische eigenschappen ondanks hun dunne diameter en een scherpe structuur geschikt voor invasie. Tijdens een biopsie, worden de onderzoeken weefsels bemonsterd in de holte van de hypodermische naald met Ultrasonografie richtsnoeren1. Hoewel Ultrasonografie vrij van straling, veilig voor foetussen en zwangere vrouwen is, en real-time beeldvorming biedt, is het moeilijk om te zien van organen die diep in het lichaam, vooral in het geval van patiënten met obesitas, omdat ultrasone golven lucht niet kunnen doordringen of vetweefsel2. Bovendien, een chirurg kan niet het verwerven van diepte informatie uit de twee-dimensionale Ultrasonografie dat conventioneel wordt gebruikt in de meeste ziekenhuizen, wat resulteert in de noodzaak van meerdere biopsieën als artsen gebrek aan vaardigheid of ervaring. In de levering van de drug voor Spinale anesthesie bepalen artsen dat de naald de spinale ruimte heeft bereikt als de cerebrospinale vloeistof (CSF) naar achteren in de spuit stroomt bij het zorgvuldig het invoegen van de naald in de achterkant van de patiënt. Na het bevestigen van de Terugvloeiing van CB, wordt de verdoving drug geïnjecteerd in de spinale ruimte3. Maar riskeert artsen penetrerende of afsnijden van zenuwvezels in de spinale ruimte, veroorzaakt hevige pijn aan patiënten en zelfs dwarslaesie4,5. Hiervoor is dus ook een bekwaam arts. Een oplossing om te overwinnen en verzachten van de bovengenoemde moeilijkheden is een navigatie-functie toevoegen aan de hypodermische naald zodat objectieve informatie over de positie van de naald kan worden verstrekt. Dit zou een arts gemakkelijk een biopsie, drug delivery, en zelfs een operatie te voeren zonder te vertrouwen op hun empirische oordeel alleen helpen.
Elektrisch lokaliseren de onderzoeken weefsels in het lichaam, een hypodermische naald nemen een elektrische impedantie-spectroscopie (EIS) sensor geïntroduceerd als EIS-op-een-naald (EoN)6. De sensor van de EIS wordt momenteel gebruikt in het gebied van biomedische technologie voor toepassingen zoals DNA detectie7,8,9, bacteriën/virus detectie10,11,12 , en analyse van cellen/weefsels13,14,15,16,17,18,19,20 , 21 , 22. de EoN kan onderscheid maken tussen verschillende materialen in een frequentiedomein op basis van hun elektrische geleidbaarheid en de permittiviteit. Het vermogen van de discriminatie van de EoN werd gecontroleerd voor verschillende concentraties van fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS)23,6,23van de weefsels van de varkens vet/spier en zelfs menselijke renale normaal/kanker weefsels24 ,25. Deze functionaliteit van de EoN naar verwachting aanzienlijk stijgen de biopsie nauwkeurigheid door het lokaliseren van de weefsels van de target op basis van de verschillen in elektrische impedantie tussen de weefsels van de laesie doel en de naburige normale weefsels. Op een vergelijkbare manier, behandelende verschillen in de elektrische impedantie tussen de drug injectie ruimte (spinale of epidurale ruimte) en omringende weefsels kunnen artsen leveren een verdoving drug op de exacte doelvestiging. Bovendien, de EoN kan worden gebruikt om elektrisch het stimuleren van de hersenen/spier alsmede over het bepalen van een optimale chirurgische marge tijdens operaties die betrekking hebben op de gedeeltelijke resectie van een tumor, zoals gedeeltelijke Nefrectomie, om te bewaren als veel normale weefsel als mogelijk.
Een van de grootste uitdagingen in de realisatie van de EoN is de fabricage van de elektroden op het gebogen oppervlak van een hypodermische naald met een kleine kromtestraal. Directe metalen patronen met behulp van een conventionele fotolithografie proces werd beschouwd als ongeschikt voor de fabrikatie van micro-formaat elektroden op een gebogen substraat met een diameter van enkele millimeters of minder. Tot nu toe diverse methoden, met inbegrip van de hoekgetrouwe afdrukken26, flexibele droge film fotoresist27, de microfluidic methode28nanoimprint lithografie29en substraat-roteert lithografie30, geweest ingevoerd om het fabriceren van metaal/polymeer patronen op een gebogen oppervlak. Er zijn echter nog steeds beperkingen als gevolg van de EoN-eisen, zoals de vereiste substraat met een diameter van minder dan 1 mm, totale elektrode lengte van 20 mm of meer, breedte en tussenruimte van elektroden variërend in tientallen micrometers, en productie van grote hoeveelheden.
In de huidige studie, wordt directe metalen patronen door fotoresist spray coating en een soepel vlies photomask voorgesteld te realiseren van micro-formaat elektroden op het gebogen oppervlak van een hypodermische naald. De diameter van de naald is zo klein als 720 µm (22-gauge), die wordt veel gebruikt voor biopsieën en drug delivery in ziekenhuizen. De opbrengst van de productie van de voorgestelde fabricage methode is ook geëvalueerd om te bepalen van de haalbaarheid van bulk productie tegen een betaalbare prijs.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. elektrische isolatie van hypodermische naald
Opmerking: Een transparante warmte krimp buis (HST) is werkzaam voor de elektrische isolatie van een hypodermische naald thats 720 µm in diameter en 32 mm in lengte. De HST is gemaakt van polyethyleentereftalaat (PET), die toont goede chemische weerstand tegen de meeste zuren en bases, uitstekende mechanische duurzaamheid en biocompatibiliteit. De eerste inwendige diameter en de dikte van de wand van de HST zijn 840 µm en 25 µm, respectievelijk. De diameter van de HST neiging tot meer dan 50% bij een temperatuur van 100 ° C, met nog grotere vermindering bij hogere temperaturen worden verminderd tot 190 ° C. Merk op dat PET HST een thermohardende materiaal dat de eigenschap is heeft om permanent hard en stijf wanneer genezen. De grootte van de hypodermische naald en krimp buis kan worden aangepast afhankelijk van het doel van het onderzoek en de toepassingen. Het algehele fabricageproces is grafisch samengevat in Figuur 1.
- Snijd de HST tot een lengte van 3 cm. het aanpassen de lengte van de buis afhankelijk van de diepte van de penetratie van de hypodermische naald.
- Plaats de hypodermische naald in de cut HST.
- Het krimpen van de buis met behulp van een warmte-pistool bij een temperatuur van 150 ° C, die is ingesteld om te voorkomen dat ongewenste extra contractie wanneer uitdroging wordt uitgevoerd bij 105 ° C in het reinigingsproces (in stap 1.6).
- Scheiden de hypodermische naald van haar hub.
- Reinig de hypodermische naald geïsoleerd door de HST in een bad (DI) met gedeïoniseerd water (20 ° C) met ultrasone agitatie bij 30 kHz en 350 W power.
- Uitdrogen van de hypodermische naald geïsoleerd door de HST op een kookplaat bij 105 ° C gedurende 10 minuten.
2. Au afzetting met sputteren
Opmerking: In deze studie, het sputteren proces, die beschikbaar is wordt gebruikt om te storten van een laag van de Au voor elektrodes, hoewel een e-bundel verdamping proces kan een alternatieve methode. Het is bevestigd dat de temperatuurstijging geïnduceerde sputteren daarbij zelden extra krimp van de HST veroorzaakt. Echter kan een proces dat nog steeds meer dan enkele minuten de HST boven de eerste krimp temperatuur verhit. Hierdoor kan extra krimp van de HST, resulterend in een stijging in de marge van de fabricage van de tip.
- Schik de schoongemaakte injectienaalden geïsoleerd door de HST naast elkaar op een glasplaatje met behulp van dubbelzijdige tape voor Cr/Au afzetting.
-
Met behulp van sputteren apparatuur, Kluisje Cr/Au op de schoongemaakte injectienaalden geïsoleerd door de HST.
Opmerking: In dit geval de diktes van Cr en Au waren 10 nm en 100 nm, respectievelijk (Cr werd gebruikt voor de laag van de hechting tussen de HST en de Au-laag).- Regelen zoveel naalden mogelijk ter vermindering van de kosten en de productie van de productietijd. Het sputteren gebruiksvoorwaarden hieronder aan borg 10 nm Cr en 100 nm Au.
- Instellen voor Cr sputteren, Cr doelstelling diameter: 4 inch, RF vermogen: 300 W, argon druk: 5 mTorr en sluiter open tijd: 20 s (10 nm).
- Gebruik voor Au sputteren, Au doelstelling diameter: 4 inch, DC power: 300 W, argon druk: 10 mTorr en sluiter open tijd: 80 s (100 nm).
3. spray Coating
Opmerking: Een lage viscositeit (14 cp) fotoresist wordt gebruikt in de spray-coatingproces spray efficiëntie te vergroten. De fotoresist kan gemakkelijk aan de Au-plaatgaasfolie naald worden bekleed, alleen wanneer de naald wordt verwarmd.
- Fix een van de Au-plaatgaasfolie injectienaalden op een glasplaatje met behulp van dubbelzijdige tape.
- Plaats het glas van de dia op een klauwplaat van de spray-coater dat wordt verwarmd wordt bij 100 ° C. 2-3 min wachten op de naald is voldoende verwarmd.
- Spray de fotoresist op de Au-plaatgaasfolie naald terwijl de verwarming van de naald bij 100 ° C. Uitvoeren van het proces van de spray-coating met behulp van de volgende voorwaarden. Set mondstuk diameter: 400 µm, mondstuk verplaatsen snelheid: 70 mm/s, spray druk: 500 kPa, en afstand tussen chuck en mondstuk: 13,5 cm.
- Nadat spray coating is voltooid, laat u het glasplaatje op de chuck bij 100 ° C gedurende 3 minuten voor het uitvoeren van een zachte bakproces.
- Inspecteer het resultaat met behulp van een Microscoop 100 X vergroting instellen om te bepalen of de fotoresist uniform aan de Au-plaatgaasfolie naald is bekleed.
4. UV-blootstelling en het ontwikkelen van
Opmerking: In het algemeen, voorafgaand aan UV blootstelling, een soepel vlies-photomask is gekoppeld aan een plat transparante plaat te verwijderen van de luchtspleet tussen de photomask en het monster te worden blootgesteld aan UV-licht. In deze studie, wordt de photomask echter gebruikt zonder de plat transparante plaat te realiseren directe metaal patronen op het gebogen oppervlak van de hypodermische naald. De photomask kan gebogen conformably langs de curve van de hypodermische naald om de beste resolutie haalbaar met de contact aligner patronen. De buiging kan de flexibele photomask de contactpunten tussen de photomask en het gebogen oppervlak van de hypodermische naald zo groot mogelijk te houden. Een natte ETS proces (niet een lanceerraket) voor metalen elementen in aanmerking te nemen, is het gebruik van een positieve fotoresist voordeliger dan het gebruik van een negatieve fotoresist. Dit is omdat het hele gebied met uitzondering van de patroon van de elektrode transparant is, waardoor een breed gezichtsveld voor het gemakkelijk uitlijnen, het patroon van de elektrode met het midden van de naald.
-
Langzaam een vrij beweegbare plaat van de monster-bedrijf te heffen totdat deze volledig te minimaliseren wig fout contact op met de vaste photomask-bedrijf-plaat. Vervolgens, de plaat van de monster-bedrijf gebruik van een Pneumatische pomp vast te stellen.
- Uitvoeren van dit proces om eventueel te voorkomen dat ongewenste patronen, die kunnen worden gevormd door de verstrooiing van UV-licht in de luchtopening, veroorzaakt door de onvolledige contact tussen het monster en de photomask.
Nota: Bovendien, de minimalisering van de wig fout zorgt ervoor dat de fotoresist beklede hypodermische naald niet wordt verplaatst als het contact op met de photomask van een film in de volgende stap van de uitlijning, hoewel het contactoppervlak van de hypodermische naald een ronde vorm heeft.
- Uitvoeren van dit proces om eventueel te voorkomen dat ongewenste patronen, die kunnen worden gevormd door de verstrooiing van UV-licht in de luchtopening, veroorzaakt door de onvolledige contact tussen het monster en de photomask.
- Plaats de fotoresist beklede hypodermische naald op de plaat van de monster-bedrijf van de aligner.
-
Het uitlijnen van het geprojecteerde beeld van de fotoresist beklede hypodermische naald met het uitlijningspatroon voor de film photomask.
Opmerking: In dit geval het uitlijningspatroon voor de film photomask werd ontworpen als twee parallelle lijnen op een afstand van 800 µm, de dikte van de HST en gecoate fotoresist overwegen.- Uitlijnen van twee lijnen van de grens van het geprojecteerde beeld met twee parallelle uitlijning lijnen van de photomask (Figuur 1e); Zo kan de fotoresist beklede hypodermische naald worden gepositioneerd in het midden van twee parallelle uitlijning lijnen, met een fout van de uitlijning van 10 µm of minder.
- De uitlijning process monitor in real-time via de monitor van de vertoning aangesloten op de camera van de charge - coupled apparaat (CCD) en de Microscoop.
- Breng de fotoresist beklede hypodermische naald in contact met de vaste flexibele photomask door het langzaam het opheffen van de naald naar de photomask.
- Verrichten van UV blootstelling voor 30 s (UV intensiteit: 15 mJ/cm2) en volg dit door het ontwikkelende proces gedurende 3 minuten.
- Spoel de ontwikkelaar uit het monster met behulp van DI water.
- Inspecteer het resultaat door een Microscoop 200 X vergroting instellen om te bepalen of de fotoresist is duidelijk patroon op de Au-plaatgaasfolie hypodermische naald. Als de blootgestelde fotoresist perfect niet wordt verwijderd na het proces van ontwikkeling, herhaalt u de ontwikkeling proces 30 s tussenpozen.
5. Cr/Au nat etsen
Let op: Vermijd huid/oog contact met de Cr en Au natte etchants.
- Met een pincet u loskoppelen van het monster (fotoresist-patroon hypodermische naald) gefixeerd op het glasplaatje.
- Dompel het monster in de natte etchant van de Au voor 1 min.
- Spoel de Au-etchant uit het monster met behulp van DI water.
- Inspecteer het resultaat door een Microscoop ingesteld op 200 X vergroting. Als het goud worden verwijderd nog resten, herhaalt u het nat etsen proces 10 s tussenpozen. Buitensporig lang nat etsen keer maakt de interdigitated elektrode (IDE) dunner.
- Dompel het monster in de Cr-etchant voor 30 s.
- Spoel de Cr-etchant uit het monster met behulp van DI water.
6. verwijdering van de resterende fotoresist en passiveren
- Dompel het monster (metaal-patroon hypodermische naald) in een oplossing van de aceton voor 1 min.
- Spoel het monster met DI water en het uitdrogen op een hete plaat bij 105 ° C gedurende 10 minuten.
- Voor elektrische passivering van de verbindingslijnen, knip de buis krimpen zodat er 2-3 mm langer dan de elektrode (20 mm, de maximale diepte te dringen), zoals afgebeeld in Figuur 2, omdat de lengte van de HST zal in mindering gebracht nadat de HST krimpt.
- Na plaatsing van de HST zoveel mogelijk vanaf het einde van de IDE, verhogen de temperatuur van de HST met behulp van een warmte-pistool bij 150 ° C te strak passivate de naald.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De interdigitated elektroden (IDEs), zoals afgebeeld in Figuur 2, resulteren in een grotere effectieve sensing gebied op een beperkte oppervlakte in vergelijking met andere vormen van elektroden. De totale lengte van de IDEs is ontworpen om 860 µm detecteren en analyseren van de impedantie wijzigingen op minder dan 1 mm intervallen in de biotissues, die voor een hoge lokaliseren nauwkeurigheid in biopsie en drug delivery procedures zorgt. De totale breedte van de IDEs is 400 µm, die een geometrisch haalbaar dimensie op het gebogen oppervlak van de hypodermische naald is bij het gebruik van de voorgestelde fotolithografie proces. Zowel de kloof en de breedte van de IDEs zijn zo klein als 20 µm, die dicht bij de minimale afmetingen van een commercieel beschikbare film photomask. De maximale indringingsdiepte van de EoN in biotissues is ontworpen om 20 mm, gezien schildklier/prostaat biopsieën en Spinale anesthesie. De totaallengte van de EoN kan worden aangepast afhankelijk van de toepassing.
Zoals blijkt uit Figuur 3, de IDEs met succes zijn vervaardigd op het puntje van de hypodermische naald met een diameter van 720 µm. overdosis tijdens litho van UV moest compenseren het UV dosis gebrek aan evenwicht als gevolg van onvolmaakte contact tussen de buitenste gedeelte van de photomask en het gebogen oppervlak van de hypodermische naald. Dit zal verhogen de kloof en afnemen van de breedte van de IDEs in het geval van een positieve fotoresist. U kunt oplossen door het negatieve effect van de dimensionale veranderingen, werden de breedte en de kloof opzettelijk ontworpen om 25 µm en 15 µm op het photomask, respectievelijk. Daarmee kunnen zowel de breedte en de kloof van de IDEs worden met succes vervaardigd om 20 µm door het optimaliseren van de UV-blootstellingstijd. De marge van de fabricage van de punt van de hypodermische naald is zo klein als 680 µm, die onnodig overmatig invasie in biotissues tijdens de elektrische impedantie-meting zal voorkomen. Een PET HST was werkzaam als de elektrische isolatielaag voor zowel de IDEs en de verbindingslijnen, en ook als de elektrische passivering-laag voor de verbindingslijnen. De HST-functies lage elektrische geleidbaarheid/permittiviteit, duurzaam mechanische eigenschappen vergeleken met een poly(p-xylylene) polymeer coating, chemische weerstand tegen de meeste zuren en basen en biocompatibiliteit.
Vanuit het oogpunt van mechanische duurzaamheid, apparaatfout (bijvoorbeeld de isolatielaag, passivering laag, en/of elektroden peeling uit) werd niet waargenomen zelfs na penetratie in biotissues meer dan 100 keer, terwijl een poly(p-xylylene) polymeer met een muur deed dikte van 1,5 µm niet doorstaan penetratie in varkens weefsels meer dan 20 keer. Dit geeft aan dat de PET HST bleek sterke hechting met de plaatgaasfolie elektroden, evenals de hoge duurzaamheid voor klinische proeven. Bovendien, de HST toont goede chemische weerstand tegen de meeste zuren en basen, wat mogelijk maakt de EoN te sporen van de elektrische eigenschappen van verschillende soorten chemicaliën of biomaterialen en houdt de HST duurzaam tijdens elektrochemische afzetting van Au elektroden met behulp van zure oplossing (H2SO4). In het proces van elektrochemische afzetting, de Au elektrode-laag heeft de neiging om te groeien in fractal structuren, waarmee de effectieve oppervlakte van de sensing elektroden om aanzienlijk te verhogen op de beperkte oppervlakte van de naald tot een hogere gevoeligheid.
Voor de evaluatie van het vermogen van de discriminatie van de EoN en de diepte profilering vermogen in biotissue, verschillende concentratie niveaus van PBS en vier lagen varkens weefsel werkten, respectievelijk23. De impedantie analyzer was aangesloten op zowel de EoN en een laptop, zoals weergegeven in Figuur 4. Voor het uitvoeren van diepte profilering in de vier lagen varkens weefsel, is de EoN vastgesteld op de hoogte-controller, met een resolutie van 10 µm. De verschillende concentraties van PBS werden opgesteld als 1 x, 0,5 x, 0,25 x, 0,125 x en 0.0625 x, door het serieel de PBS 1 x met DI water verdunnen. De lengte van de lijnen van het IDEs en verbinding gebruikt in het experiment was 300 µm en 28 mm, respectievelijk. Zoals blijkt uit figuur 5a, kan de EoN met succes verschillende concentraties van PBS discrimineren. Omdat het 1 x PBS was serieel verdund met DI water, daalde de elektrische geleidbaarheid van verdunde PBS vanwege de geringe geleidbaarheid van DI water. Dus, de omvang van de impedantie verhoogd als het concentratieniveau van PBS daalde. Op basis van het vermogen van de discriminatie van EoN, werd de profilering van de diepte van de vier lagen varkens weefsel op de frequentie van 1 MHz, waartoe werd besloten als de optimale frequentie in onze vorige onderzoek uitgevoerd. De EoN is ingevoegd in de vier lagen varkens weefsel in stappen van 1 mm. Zoals blijkt uit Figuur 5b, was de omvang van de impedantie gemeten van vetweefsel duidelijk gediscrimineerd dan die van spierweefsel, volgens de indringingsdiepte van de EoN.
Figuur 1: schematische van algemene EIS-op-een-naald (EoN) productie-procédé. (A) voorbereiding van hypodermische naald, (B) elektrische isolatie van hypodermische naald met behulp van warmte krimpen buis (HST, wanddikte: 25 µm), (C) Cr/Au afzetting met sputteren of verdamper, (D) Spray coating van Fotoresist (positieve type), (E) uitlijning proces van film photomask en fotoresist beklede hypodermische naald gevolgd door blootstelling van UV. De photomask van de film bevat patronen van interdigitated elektroden (IDEs) en uitlijning lijn, ontwikkelingsproces (F) , (G) Cr/Au nat etsen, (H) verwijdering van residuele fotoresist met behulp van aceton en (I) passivering op verbindingslijnen met behulp van de HST. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: gedetailleerde structurele schematische voorstelling van de EoN. De vorm van de elektroden van de sensor is ontworpen om fijne interdigitated elektroden teneinde een grotere effectieve sensing gebied op de beperkte oppervlakte van de hypodermische naald. Een PET warmte krimp buis (HST) werd gebruikt als de elektrische isolatielaag voor zowel de interdigitated elektroden (IDEs) en de verbindingslijnen, en werd ook gebruikt als de elektrische passivering laag voor de verbindingslijnen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: microscopische beelden van de met succes verzonnen EoN. Zowel de breedte en de kloof van de IDEs zijn zo laag als 20 µm. De totale lengte en breedte van de interdigitated elektroden (IDEs) zijn 860 µm en 400 µm, respectievelijk. De marge van de fabricage van de tip is zo klein als 680 µm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: beelden van de experimentele opstelling. Om te beoordelen van het vermogen van de discriminatie van de EoN en de diepte profilering van vermogen in de biotissue, verschillende concentraties van PBS en vier lagen varkens weefsel werkten, respectievelijk. Voor het uitvoeren van diepte profilering in de vier lagen varkens weefsel, werd de EoN vastgesteld op de hoogte-controller met een resolutie van 10 µm. De verschillende concentraties van PBS werden opgesteld als 1 x, 0,5 x, 0,25 x, 0,125 x en 0.0625 x, door het serieel verdunnen het 1 x PBS met gedeïoniseerd water (DI). (een) Algemene setup, (b) EoN ondergedompeld in de PBS, en (c) vier lagen varkens weefsel. Dit cijfer is gewijzigd van de eerder gepubliceerde studie23. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: experimentele resultaten met behulp van PBS en vier lagen varkens weefsel. Evaluatie van het vermogen van de discriminatie van EoN met behulp van (een) verschillende concentraties van PBS en (b) vier lagen varkens weefsel. Omdat het 1 x PBS was serieel verdund met DI water, de elektrische geleidbaarheid van verdunde PBS daalde met verhoogde verdunning vanwege het lage geleidingsvermogen van DI water. Dus, de omvang van de impedantie verhoogd als het concentratieniveau van PBS daalde. De profilering van de diepte van de varkens weefsel werd uitgevoerd op de frequentie van 1 MHz, die was vastbesloten om de optimale frequentie in onze eerdere studie23. De omvang van de impedantie gemeten van vetweefsel was duidelijk onderscheiden van die van spierweefsels volgens de indringingsdiepte van de EoN. F1, F2, M1 en M2 vertegenwoordigen fat1, fat2, muscle1 en muscle2 afgebeeld in Figuur 4 (c), respectievelijk. Dit cijfer is gewijzigd van de eerder gepubliceerde studie23. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: schematische van een schaduwmasker te deponeren metalen elektroden voor de productie van de bulk. Het schaduwmasker kan worden gemaakt met behulp van een 3D-printer met prima resolutie. Het schaduwmasker kunt fysiek blokkeren het gebied waar metalen afzetting ongewenste tijdens een fysieke depositie, zoals sputteren en/of verdamping. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We toonden aan dat fotolithografie met behulp van spray coating en een photomask van de film is een haalbaar methode om het fabriceren van fijne IDEs op het gebogen oppervlak van een hypodermische naald met een kleine diameter van minder dan 1 mm. Zowel de breedte en de kloof van de IDEs zijn zo laag als 20 µm, en de marge van de fabricage van de tip is zo klein als 680 µm. Binnen het protocol is het uitlijning proces, met inbegrip van wig fout verwijderen, een cruciale stap. De opbrengst van de productie was meer dan 90%, toen de EoN individueel werd gefabriceerd door middel van een rigoureuze uitlijning proces. Dit geeft aan dat de voorgestelde fabricage methode heeft het potentieel om te worden ontwikkeld voor de productie van de bulk tegen een betaalbare prijs.
Het vermogen van de discriminatie van de EoN is eerder geverifieerd voor PBS, varkens vet/spierweefsels en zelfs menselijke renale weefsels6,23,24. Een klinische toepassing is voor een operatie waarbij de gedeeltelijke resectie van tumoren te behouden als veel normale weefsel mogelijk door het detecteren van de chirurgische marge tussen de normale en laesie weefsels25. Bovendien wordt de EoN verwacht worden gebruikt in andere klinische toepassingen zoals schildklier/prostaat biopsieën en anesthesie drug levering in een spinale ruimte.
Hoewel de breedte en de kloof van de IDEs werden vervaardigd om te worden 20 µm in de huidige studie, kunnen zij worden teruggebracht tot 10 µm zodra de resolutie van afdrukbare film fotomaskers verhoogt. Een andere manier om de afmetingen van de kloof en de breedte van de IDEs is kleinere patronen van een chrome-masker overbrengen naar een soepel vlies met behulp van het fotolithografie proces. Ondertussen kan de wanddikte van de HST worden teruggebracht van 25 µm tot een kleinere grootte die commercieel beschikbaar is. Een kleinere HST met een wanddikte van 6 µm werd experimenteel geverifieerd kunnen worden gebruikt voor elektrische isolatie en de passivering laag gebruik van de dezelfde productie-procédé. Dit zal vergemakkelijken van invoeging experimenten in dierlijke weefsels en zelfs het verminderen van de pijn van patiënten in klinisch gebruik.
De fabricage methode met behulp van het fotolithografie proces kan worden ontwikkeld voor bulk productie met een hoog rendement tegen een betaalbare prijs, door het organiseren van vele injectienaalden samen en door het ontwerpen van een photomask array. Een andere haalbare methode voor de productie van de bulk is het gebruik van een matrix van schaduw masker mallen gemaakt door een 3D-printer met hoge resolutie, zoals aangegeven in Figuur 6. Het schaduwmasker kunt fysiek blokkeren het gebied waar metalen afzetting ongewenste tijdens een fysieke depositie, zoals sputteren en/of verdamping. CR/Au gestort op het schaduwmasker kan gemakkelijk worden verwijderd met behulp van Cr/Au natte etchant voor hergebruik van het schaduwmasker. De verwachte beperkingen worden aangepakt zijn als volgt: 1) een 3D-printer met hoge resolutie is vereist, 2) de gebruikte materialen in de 3D-printer moeten chemisch resistent tegen de Cr/Au natte etchant voor hergebruik van het schaduwmasker, en 3) de gebruikte materialen in 3D afdrukken Er moet niet vervormen bij temperaturen boven de 150 ° C dat kan worden geïnduceerd tijdens het sputteren. Het volgende plan van de huidige studie is de bulk productiemethode tegen een betaalbare prijs te ontwikkelen en om te controleren of de toepasselijkheid van de EoN in Spinale anesthesie en schildklier/prostaat biopsieën.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door het "Biomedische Integrated Technology Research"-project door middel van een subsidie verstrekt door GIST in 2017.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Heat shrink tube | VENTION MEDICAL, Inc. | 103-0655 | |
| Hypodermic needle (22G) | HWAJIN MEDICAL co. ltd | - | http://www.hwajinmedical.com |
| Heat gun | Weller | WHA600 | http://www.weller-tools.com/en/Home.html |
| Ultrasonic cleaner | HWASHIN INSTRUMENT CO, LTD. | POWERSONIC 620- | http://www.hwashin.net |
| Hotplate | AS ONE Corporation | 006560 | |
| Sputtering | A-Tech System. Ltd. | ATS/SPT/0208F | http://www.atechsystem.co.kr |
| Glass slide | Paul Marienfeld GmbH & Co. KG | 1000412 | |
| Spray coater | LITHOTEK | LSC-200 | |
| Photoresist | AZ electronic materials | GXR 601 | http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html |
| Developer (solution) | AZ electronic materials | MIF 300 | http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html |
| Aligner | MIDAS SYSTEM CO.,Ltd. | MDA-400M | http://www.midas-system.com |
| Microscope | NIKON Corporation | L200 | http://www.nikonmetrology.com |
| Au wet etchant | TRANSENE COMPANY, Inc. | Au etchant type TFA | http://transene.com |
| Cr wet etchant | KMG Electronic. Chemicals, Inc. | CR-7 | http://kmgchemicals.com |
| Au target | Thin films and Fine Materials | - | http://www.thifine.co.kr |
| Cr target | Thin films and Fine Materials | - | http://www.thifine.co.kr |
| Argon gas (99.999%) | SINIL Gas Co.Ltd | - | http://www.sigas.kr |
| Acetone solution | OCI Company Ltd | - | http://www.ocicorp.co.kr/company/index.asp |
| Impedance analyzer | Gamry Instruments Inc | Reference 600 | https://www.gamry.com |
| Height Controller | Mitutoyo Corporation | 192-613 | |
| Phosphate buffered saline | Life Technologies Corporation | 10010023 |
References
- Knappe, M., Louw, M., Gregor, R. T. Ultrasonography-guided fine-needle aspiration for the assessment of cervical metastases. Arch Otolaryngol Head Neck Surg. 126 (9), 1091-1096 (2000).
- Paladini, D. Sonography in obese and overweight pregnant women: clinical, medicolegal and technical issues. Ultrasound Obstet Gynecol. 33 (6), 720-729 (2009).
- Okuda, Y., Mishio, M., Kitajima, T., Asai, T. Cremasteric reflex test as an objective indicator of spinal anaesthesia. Anaesthesia. 55 (6), 587-589 (2000).
- Pryle, B., Carter, J., Cadoux-Hudson, T. Delayed paraplegia following spinal anaesthesia. Anaesthesia. 51 (3), 263-265 (1996).
- SJÖSTRÖM, S., Bläss, J. Severe pain in both legs after spinal anaesthesia with hyperbaric 5% lignocaine solution. Anaesthesia. 49 (8), 700-702 (1994).
- Yun, J., et al. Electrochemical impedance spectroscopy with interdigitated electrodes at the end of hypodermic needle for depth profiling of biotissues. Sens Actuator B-Chem. 237, 984-991 (2016).
- Ye, W. W., Shi, J. Y., Chan, C. Y., Zhang, Y., Yang, M. A nanoporous membrane based impedance sensing platform for DNA sensing with gold nanoparticle amplification. Sens Actuator B-Chem. 193, 877-882 (2014).
- Wang, L., et al. A novel electrochemical biosensor based on dynamic polymerase-extending hybridization for E. coli O157: H7 DNA detection. Talanta. 78 (3), 647-652 (2009).
- Tran, H., et al. An electrochemical ELISA-like immunosensor for miRNAs detection based on screen-printed gold electrodes modified with reduced graphene oxide and carbon nanotubes. Biosens Bioelectron. 62, 25-30 (2014).
- Nguyen, B. T., et al. Membrane-based electrochemical nanobiosensor for the detection of virus. Anal Chem. 81 (17), 7226-7234 (2009).
- Tian, F., Lyu, J., Shi, J., Tan, F., Yang, M. A polymeric microfluidic device integrated with nanoporous alumina membranes for simultaneous detection of multiple foodborne pathogens. Sens Actuator B-Chem. 225, 312-318 (2016).
- Chan, K. Y., et al. Ultrasensitive detection of E. coli O157: H7 with biofunctional magnetic bead concentration via nanoporous membrane based electrochemical immunosensor. Biosens Bioelectron. 41, 532-537 (2013).
- Giaever, I., Keese, C. R. A morphological biosensor for mammalian cells. Nature. 366 (6455), 591 (1993).
- Lu, Y. -Y., Huang, J. -J., Huang, Y. -J., Cheng, K. -S. Cell growth characterization using multi-electrode bioimpedance spectroscopy. Meas Sci Technol. 24 (3), 035701 (2013).
- Müller, J., Thirion, C., Pfaffl, M. W. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) based real-time measurement of titer dependent cytotoxicity induced by adenoviral vectors in an IPI-2I cell culture model. Biosens Bioelectron. 26 (5), 2000-2005 (2011).
- Nordberg, R. C., et al. Electrical Cell-Substrate Impedance Spectroscopy Can Monitor Age-Grouped Human Adipose Stem Cell Variability During Osteogenic Differentiation. Stem Cells Transl Med. , (2016).
- Messina, W., Fitzgerald, M., Moore, E. SEM and ECIS Investigation of Cells Cultured on Nanopillar Modified Interdigitated Impedance Electrodes for Analysis of Cell Growth and Cytotoxicity of Potential Anticancer Drugs. Electroanalysis. 28 (9), 2188-2195 (2016).
- Abdolahad, M., et al. Single-cell resolution diagnosis of cancer cells by carbon nanotube electrical spectroscopy. Nanoscale. 5 (8), 3421-3427 (2013).
- Lee, H., et al. An endoscope with integrated transparent bioelectronics and theranostic nanoparticles for colon cancer treatment. Nat Commun. 6, 10059 (2014).
- Haemmerich, D., Schutt, D. J., Wright, A. S., Webster, J. G., Mahvi, D. M. Electrical conductivity measurement of excised human metastatic liver tumours before and after thermal ablation. Physiol Meas. 30 (5), 459 (2009).
- Prakash, S., et al. Ex vivo electrical impedance measurements on excised hepatic tissue from human patients with metastatic colorectal cancer. Physiol Meas. 36 (2), 315 (2015).
- Yun, J., Kim, H. W., Kim, H. -I., Lee, J. -H. Electrical impedance spectroscopy on a needle for safer Veress needle insertion during laparoscopic surgery. Sens Actuator B-Chem. 250, 453-460 (2017).
- Yun, J., Kim, H. W., Lee, J. -H. Improvement of Depth Profiling into Biotissues Using Micro Electrical Impedance Spectroscopy on a Needle with Selective Passivation. Sensors. 16 (12), 2207 (2016).
- Yun, J., et al. Micro electrical impedance spectroscopy on a needle for ex vivo discrimination between human normal and cancer renal tissues. Biomicrofluidics. 10 (3), 034109 (2016).
- Kim, H. W., Yun, J., Lee, J. Z., Shin, D. G., Lee, J. H. Evaluation of Electrical Impedance Spectroscopy-on-a-Needle as a Novel Tool to Determine Optimal Surgical Margin in Partial Nephrectomy. Adv Healthc. , (2017).
- Wu, H., et al. Conformal Pad-Printing Electrically Conductive Composites onto Thermoplastic Hemispheres: Toward Sustainable Fabrication of 3-Cents Volumetric Electrically Small Antennas. PLoS One. 10 (8), e0136939 (2015).
- Ahn, C., et al. Direct fabrication of thin film gold resistance temperature detection sensors on a curved surface using a flexible dry film photoresist and their calibration up to 450° C. C. J Micromech Microeng. 23 (6), 065031 (2013).
- Goluch, E. D., et al. Microfluidic method for in-situ deposition and precision patterning of thin-film metals on curved surfaces. Appl Phys Lett. 85 (16), 3629-3631 (2004).
- Hu, X., et al. A degradable polycyclic cross-linker for UV-curing nanoimprint lithography. J Mater Chem C. 2 (10), 1836-1843 (2014).
- Wu, J. -T., Lai, H. -C., Yang, S. -Y., Huang, T. -C., Wu, S. -H. Dip coating cooperated with stepped rotating lithography to fabricate rigid microstructures onto a metal roller. Microelectron Eng. 87 (11), 2091-2096 (2010).
