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Neuroscience

Hypodermic सुई की नोक पर ठीक इलेक्ट्रोड का निर्माण Photoresist स्प्रे कोटिंग और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए लचीले Photomask का उपयोग

Published: November 28, 2017 doi: 10.3791/56622
Automatic Translation
1, 2, 1,2
1Department of Biomedical Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Summary

ठीक interdigitated इलेक्ट्रोड के लिए निर्माण विधि (अंतर और चौड़ाई: 20 µm) एक hypodermic सुई की नोक पर (व्यास: ७२० µm) photomask प्रक्रिया में एक स्प्रे कोटिंग और लचीली फिल्म photolithography का उपयोग कर प्रदर्शन किया है.

Abstract

हम विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) के लिए एक निर्माण विधि शुरू की है-पर एक सुई (कल्प: EIS-on-a-सुई) को मापने और विश्लेषण के बीच विद्युत प्रतिबाधा में मतभेद से शरीर में लक्ष्य ऊतकों का पता लगाने के लिए समान इस कागज photomask प्रक्रिया में एक photoresist स्प्रे कोटिंग और लचीली फिल्म photolithography का उपयोग कर एक hypodermic सुई की नोक पर ठीक interdigitated इलेक्ट्रोड (इडस) के निर्माण विधि का वर्णन करता है । एक पॉलीथीन terephthalate (पीईटी) गर्मी हटना ट्यूब (HST) 25 µm की एक दीवार की मोटाई के साथ इंसुलेशन और passivation परत के रूप में कार्यरत है । पीईटी HST एक उच्च यांत्रिक स्थायित्व पाली (पी-xylylene) पॉलिमर, जो व्यापक रूप से एक ढांकता कोटिंग सामग्री के रूप में इस्तेमाल किया गया है के साथ तुलना में पता चलता है । इसके अलावा, HST सबसे एसिड और कुर्सियां, जो कल्प को रासायनिक नुकसान सीमित करने के लिए लाभप्रद है के लिए अच्छा रासायनिक प्रतिरोध से पता चलता है । प्रकल्प का उपयोग विशेष रूप से रसायनों के लक्षण वर्णन के लिए पसंद है/या अम्लीय/बुनियादी रसायनों का उपयोग कर निर्माण । गढ़े गैप और इडस की चौड़ाई 20 µm के रूप में छोटे हैं, और समग्र चौड़ाई और इडस की लंबाई ४०० µm और ८६० µm, क्रमशः कर रहे हैं । टिप से निर्माण मार्जिन (hypodermic सुई की नोक और इडस के शुरू बिंदु के बीच की दूरी) hypodermic सुई के रूप में ६८० µm के रूप में छोटा है, जो इंगित करता है कि अनावश्यक रूप से अत्यधिक आक्रमण के दौरान से बचा जा सकता है विद्युत प्रतिबाधा माप. कल्प एक रीढ़ की हड्डी अंतरिक्ष में थायराइड बायोप्सी और संज्ञाहरण दवा वितरण के लिए के रूप में नैदानिक उपयोग के लिए एक उच्च क्षमता है । इसके अलावा, सर्जरी में भी है कि ट्यूमर के आंशिक लकीर शामिल है, कल्पक शल्य मार्जिन का पता लगाने के द्वारा संभव के रूप में ज्यादा सामांय ऊतक के रूप में संरक्षित करने के लिए नियोजित किया जा सकता है (सामांय ऊतक है कि एक ट्यूमर के सर्जिकल उत्पाद के साथ हटा दिया जाता है) के बीच सामांय और घाव के ऊतकों ।

Introduction

Hypodermic सुई व्यापक रूप से बायोप्सी और दवा वितरण के लिए अस्पतालों में उपयोग किया जाता है क्योंकि वे सस्ती और उपयोग करने के लिए आसान कर रहे हैं । वे भी अपने पतले व्यास और एक तेज धार आक्रमण के लिए उपयुक्त संरचना के बावजूद उत्कृष्ट यांत्रिक गुण है । एक बायोप्सी के दौरान, लक्ष्य के ऊतकों hypodermic सुई के खोखले में के साथ नमूना है ट्रा मार्गदर्शन1। हालांकि ट्रा विकिरण से मुक्त है, भ्रूण और गर्भवती महिलाओं के लिए सुरक्षित है, और वास्तविक समय इमेजिंग प्रदान करता है, यह शरीर के भीतर गहरी है कि अंगों को देखने के लिए मुश्किल है, मोटापे से ग्रस्त रोगियों के मामले में विशेष रूप से क्योंकि अल्ट्रासोनिक तरंगों हवा घुसना नहीं कर सकते या वसा ऊतकों2. इसके अलावा, एक सर्जन दो आयामी ट्रा कि पारंपरिक अस्पतालों के बहुमत में उपयोग किया जाता है से गहराई से जानकारी प्राप्त नहीं कर सकते, कई बायोप्सी के लिए की जरूरत में जिसके परिणामस्वरूप अगर चिकित्सकों कौशल या अनुभव की कमी है । रीढ़ की हड्डी में संज्ञाहरण के लिए दवा वितरण में, चिकित्सकों का निर्धारण कि सुई रीढ़ की हड्डी अंतरिक्ष में पहुंच गया है अगर मस्तिष्कमेरु द्रव (सीएसएफ) सिरिंज में पिछड़े बहती है, जबकि ध्यान से रोगी की पीठ में सुई डालने । सीएसएफ के भाटा की पुष्टि करने के बाद, संज्ञाहरण दवा रीढ़ की हड्डी अंतरिक्ष में इंजेक्शन है3। हालांकि, चिकित्सकों के जोखिम मर्मज्ञ या रीढ़ की हड्डी अंतरिक्ष में तंत्रिका तंतुओं को काटने, रोगियों को गंभीर दर्द के कारण और भी paraplegia4,5. इस प्रकार, इस प्रक्रिया को भी एक निपुण चिकित्सक की आवश्यकता है । एक समाधान पर काबू पाने और aforementioned कठिनाइयों को कम करने के लिए hypodermic सुई के लिए एक नेविगेशन समारोह इतना जोड़ है कि सुई की स्थिति पर उद्देश्य जानकारी प्रदान की जा सकती है । यह एक चिकित्सक आसानी से एक बायोप्सी प्रदर्शन, दवा वितरण में मदद मिलेगी, और यहां तक कि उनके अनुभवजंय निर्णय पर निर्भर बिना एक सर्जरी ही ।

आदेश में शरीर में लक्षित ऊतकों स्थानीयकरण करने के लिए, एक hypodermic सुई एक विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) को शामिल सेंसर EIS के रूप में पेश किया गया है पर एक सुई (कल्प)6. EIS संवेदक वर्तमान में डीएनए का पता लगाने7,8,9, बैक्टीरिया/वायरस का पता लगाने10,11,12 के रूप में) अनुप्रयोगों के लिए बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के क्षेत्र में उपयोग किया जाता है , और कोशिकाओं/ऊतकों पर विश्लेषण13,14,15,16,17,18,19,20 , 21 , 22. कल्प एक आवृत्ति अपने विद्युत चालकता और permittivity के आधार पर डोमेन में भिंन सामग्री के बीच भेदभाव कर सकते हैं । कल्प की भेदभाव क्षमता फॉस्फेट बफर खारा के विभिन्न एकाग्रता के स्तर के लिए सत्यापित किया गया था (पंजाबियों)23, सुअर वसा/मांसपेशी ऊतकों6,23, और यहां तक कि मानव गुर्दे सामान्य/ ,25. कल्प की यह क्षमता काफी लक्ष्य घावों के ऊतकों और पड़ोसी सामान्य ऊतकों के बीच विद्युत प्रतिबाधा में अंतर के आधार पर लक्षित ऊतकों का पता लगाने के द्वारा बायोप्सी सटीकता में वृद्धि करने की उम्मीद है । एक समान तरीके से, दवा इंजेक्शन अंतरिक्ष (रीढ़ की हड्डी या एपीड्यूरल अंतरिक्ष) और आसपास के ऊतकों के बीच विद्युत प्रतिबाधा में अंतर की जाँच चिकित्सकों सटीक लक्ष्य स्थान पर एक संज्ञाहरण दवा देने में मदद कर सकते हैं. इसके अलावा, कल्प के लिए विद्युत मस्तिष्क को उत्तेजित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है/के रूप में अच्छी तरह के रूप में सर्जरी कि एक ट्यूमर के आंशिक लकीर जैसे आंशिक nephrectomy के रूप में शामिल करने के दौरान एक इष्टतम शल्य मार्जिन निर्धारित करने के लिए, के रूप में ज्यादा सामांय ऊतक के रूप में संरक्षित संभव.

कल्प की प्राप्ति में सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक वक्रता का एक छोटा सा त्रिज्या होने एक hypodermic सुई की घुमावदार सतह पर इलेक्ट्रोड का निर्माण है । प्रत्यक्ष धातु एक पारंपरिक photolithography प्रक्रिया का उपयोग कर पैटर्न कई मिलीमीटर या उससे कम का व्यास के साथ एक घुमावदार सब्सट्रेट पर सूक्ष्म आकार इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए अनुपयुक्त के रूप में माना गया है. अब तक, अनुरूप मुद्रण26, लचीली शुष्क फिल्म photoresist27, microfluidic विधि28, nanoimprint लिथोग्राफी29, और सब्सट्रेट-घूर्णन लिथोग्राफी30, सहित विभिंन तरीकों, किया गया है एक घुमावदार सतह पर धातु/बहुलक पैटर्न बनाना शुरू की । हालांकि, वहां अभी भी कर रहे है सीमा की वजह से कम 1 मिमी के व्यास के साथ आवश्यक सब्सट्रेट के रूप में, इस तरह की सीमाओं, 20 मिमी या अधिक की कुल इलेक्ट्रोड लंबाई, चौड़ाई और micrometers के दसियों में लेकर इलेक्ट्रोड के अंतराल, और उच्च मात्रा उत्पादन.

वर्तमान अध्ययन में, photoresist स्प्रे कोटिंग और एक लचीली फिल्म photomask को रोजगार द्वारा प्रत्यक्ष धातु पैटर्न एक hypodermic सुई की घुमावदार सतह पर सूक्ष्म आकार इलेक्ट्रोड का एहसास करने के लिए प्रस्तावित है । सुई के व्यास के रूप में ७२० µm (22 गेज), जो व्यापक रूप से अस्पतालों में बायोप्सी और दवा के वितरण के लिए प्रयोग किया जाता है के रूप में छोटा है । प्रस्तावित निर्माण विधि की उत्पादन उपज भी एक किफायती मूल्य पर थोक उत्पादन की व्यवहार्यता का निर्धारण करने के लिए मूल्यांकन किया जाता है ।

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Protocol

1. Hypodermic सुई के विद्युत इंसुलेशन

नोट: एक पारदर्शी गर्मी हटना ट्यूब (HST) एक hypodermic सुई के विद्युत इन्सुलेशन कि व्यास में ७२० µm और लंबाई में ३२ मिमी है के लिए कार्यरत है । HST पॉलीथीन terephthalate (पीईटी), जो सबसे एसिड और कुर्सियां, उत्कृष्ट यांत्रिक स्थायित्व, और जैव संगतता के लिए अच्छा रासायनिक प्रतिरोध से पता चलता है की बनी है । प्रारंभिक भीतरी व्यास और HST की दीवार मोटाई ८४० µm और 25 µm, क्रमशः कर रहे हैं । HST का व्यास १०० डिग्री सेल्सियस के तापमान पर ५०% से अधिक से कम हो जाता है, १९० डिग्री सेल्सियस तक उच्च तापमान पर भी अधिक से अधिक कमी के साथ । ध्यान दें कि पालतू HST एक thermosetting सामग्री है कि स्थाई रूप से कठिन है और जब ठीक कठोर बनने की संपत्ति है । hypodermic सुई और हटना ट्यूब के आकार के अनुसंधान के उद्देश्य और अनुप्रयोगों के आधार पर समायोजित किया जा सकता है । समग्र निर्माण प्रक्रिया रेखांकन चित्रा 1में संक्षेप है ।

  1. HST को 3 सेमी की लंबाई में काटें । hypodermic सुई की पैठ गहराई के आधार पर ट्यूब की लंबाई समायोजित करें ।
  2. कट HST में hypodermic सुई डालें ।
  3. १५० ° c, जो अवांछित अतिरिक्त संकुचन को रोकने के लिए जब निर्जलीकरण १०५ ° c में सफाई प्रक्रिया में किया जाता है (चरण १.६) में से एक तापमान पर एक गर्मी बंदूक का उपयोग कर ट्यूब हटना ।
  4. hypodermic सुई को उसके हब से अलग कर दीजिये ।
  5. साफ hypodermic सुई में HST से अछूता (DI) पानी स्नान (20 डिग्री सेल्सियस) अल्ट्रासोनिक आंदोलन के साथ 30 kHz और ३५० डब्ल्यू शक्ति.
  6. 10 मिनट के लिए १०५ ° c पर एक चूल्हा पर HST से अछूता hypodermic सुई निर्जलीकरण ।

2. Au जमाव Sputtering का उपयोग

नोट: इस अध्ययन में, sputtering प्रक्रिया उपलब्ध है कि इलेक्ट्रोड के लिए एक Au परत जमा करने के लिए प्रयोग किया जाता है, हालांकि एक ई बीम वाष्पीकरण की प्रक्रिया एक वैकल्पिक तरीका हो सकता है । यह sputtering प्रक्रिया में प्रेरित तापमान वृद्धि शायद ही कभी HST के अतिरिक्त संकोच का कारण बनता है कि पुष्टि की गई है । हालांकि, एक प्रक्रिया है कि कई मिनट से अधिक के लिए जारी प्रारंभिक सिकुड़ने तापमान के ऊपर HST गर्मी हो सकती है । यह HST के अतिरिक्त संकोच पैदा कर सकता है, टिप से निर्माण मार्जिन में वृद्धि में जिसके परिणामस्वरूप ।

  1. एक गिलास के लिए सीआर/Au जमाव के लिए डबल पक्षीय टेप का उपयोग कर स्लाइड पर ओर से HST पक्ष द्वारा अछूता साफ hypodermic सुइयों की व्यवस्था ।
  2. sputtering उपकरण का प्रयोग, HST से अछूता साफ hypodermic सुई पर जमा सीआर/
    नोट: इस मामले में, सीआर और au की मोटाई थे 10 एनएम और १०० एनएम, क्रमशः (सीआर HST और au परत के बीच आसंजन परत के लिए इस्तेमाल किया गया था) ।
    1. उत्पादन लागत और उत्पादन समय को कम करने के क्रम में संभव के रूप में कई सुइयों के रूप में व्यवस्था. 10 एनएम Cr और १०० एनएम Au जमा करने के लिए नीचे दी गई sputtering शर्तों का उपयोग करें ।
    2. के लिए सीआर sputtering, सेट सीआर लक्ष्य व्यास: 4 इंच, आरएफ पावर: ३०० डब्ल्यू, आर्गन दबाव: 5 mTorr, और शटर खुला समय: 20 एस (10 एनएम).
    3. au sputtering के लिए, उपयोग au लक्ष्य व्यास: 4 इंच, डीसी पावर: ३०० डब्ल्यू, आर्गन दबाव: 10 mTorr, और शटर खुला समय: ८० s (१०० एनएम) ।

3. स्प्रे कोटिंग

नोट: एक कम चिपचिपापन (14 सीपी) photoresist स्प्रे कोटिंग प्रक्रिया में प्रयोग किया जाता है स्प्रे क्षमता बढ़ाने के लिए । photoresist आसानी से Au-sputtered सुई पर लेपित किया जा सकता है केवल जब सुई गर्म है ।

  1. डबल पक्षीय टेप का उपयोग कर एक गिलास स्लाइड पर Au-sputtered hypodermic सुइयों में से एक को ठीक करें ।
  2. १०० डिग्री सेल्सियस पर गर्म किया जा रहा है कि स्प्रे कोट के एक चक पर स्लाइड ग्लास प्लेस । 2-3 मिनट रुको जब तक सुई पर्याप्त गर्म है ।
  3. १०० डिग्री सेल्सियस पर सुई हीटिंग जबकि Au-sputtered सुई पर photoresist स्प्रे । निम्न स्थितियों का उपयोग कर स्प्रे-कोटिंग प्रक्रिया निष्पादित करें । सेट नोजल व्यास: ४०० µm, नोजल चलती गति: ७० mm/s, स्प्रे दबाव: ५०० केपीए, और चक और नोजल के बीच दूरी: १३.५ सेमी ।
  4. स्प्रे कोटिंग के बाद समाप्त हो गया है, एक नरम पाक प्रक्रिया प्रदर्शन करने के लिए 3 मिनट के लिए १०० ° c पर चक पर ग्लास स्लाइड छोड़ दें ।
  5. photoresist एक समान रूप से Au-sputtered सुई पर लेपित है कि क्या यह निर्धारित करने के लिए आवर्धन 100X करने के लिए सेट एक माइक्रोस्कोप का उपयोग कर परिणाम का निरीक्षण करें ।

4. यूवी एक्सपोजर और डेवलपिंग

नोट: सामांय में, यूवी जोखिम से पहले, एक लचीली फिल्म photomask एक फ्लैट पारदर्शी थाली से जुड़ा है photomask और नमूने के बीच हवा के अंतर को दूर करने के लिए यूवी प्रकाश को उजागर किया है । हालांकि, इस अध्ययन में, photomask hypodermic सुई की घुमावदार सतह पर प्रत्यक्ष धातु पैटर्न का एहसास करने के लिए फ्लैट पारदर्शी थाली के बिना प्रयोग किया जाता है । photomask hypodermic सुई की वक्र के साथ अनुरूप तुला कर सकते है करने के लिए संपर्क संरेखण के साथ सबसे अच्छा पैटर्न समाधान संभव हासिल । झुकने लचीला photomask photomask और hypodermic सुई के घुमावदार सतह के बीच के रूप में संभव के रूप में बड़े के बीच संपर्क क्षेत्र रखने के लिए अनुमति देता है । एक गीला नक़्क़ाशी प्रक्रिया (नहीं एक लिफ्ट बंद प्रक्रिया) को ध्यान में रखते हुए धातु के नमूनों के लिए, एक सकारात्मक photoresist का उपयोग एक नकारात्मक photoresist के उपयोग से अधिक लाभप्रद है । यह है क्योंकि इलेक्ट्रोड पैटर्न को छोड़कर पूरे क्षेत्र पारदर्शी है, जिससे देखने के एक व्यापक क्षेत्र प्रदान करने के लिए आसानी से सुई के केंद्र के साथ इलेक्ट्रोड पैटर्न संरेखित करें.

  1. कील त्रुटि को कम करने के लिए, धीरे से एक स्वतंत्र रूप से चल नमूना जोत प्लेट लिफ्ट जब तक यह पूरी तरह से फिक्स्ड photomask-होल्डिंग प्लेट संपर्क । फिर, एक वायवीय पंप का उपयोग कर नमूना होल्डिंग प्लेट को ठीक करें ।
    1. इस प्रक्रिया को बाहर ले जाने के लिए संभवतः अवांछनीय पैटर्न, जो हवा के अंतर में यूवी प्रकाश के कैटरिंग द्वारा गठित किया जा सकता है, और नमूना और photomask के बीच अधूरा संपर्क के कारण से बचने के लिए ।
      नोट: इसके अलावा, कील त्रुटि की ंयूनतम सुनिश्चित करता है कि photoresist-लेपित hypodermic सुई कदम नहीं है जब यह अगले संरेखण चरण में एक फिल्म photomask संपर्क, भले ही hypodermic सुई के संपर्क सतह एक गोल आकार है ।
  2. photoresist-लेपित hypodermic सुई का नमूना पकड़े हुए प्लेट पर रखें ।
  3. फिल्म photomask के संरेखण पैटर्न के साथ photoresist-लेपित hypodermic सुई की अनुमानित छवि संरेखित करें ।
    नोट: इस मामले में, फिल्म photomask के संरेखण पैटर्न ८०० µm की दूरी पर दो समानांतर लाइनों के रूप में डिजाइन किया गया था, HST और लेपित photoresist की मोटाई पर विचार ।
    1. photomask की दो समानांतर संरेखण पंक्तियों के साथ अनुमानित छवि की दो सीमा रेखाओं को संरेखित करें (आरेख 1e); इस प्रकार, photoresist-लेपित hypodermic सुई 10 µm या उससे कम की एक संरेखण त्रुटि के साथ दो समानांतर संरेखण लाइनों के केंद्र में तैनात किया जा सकता है ।
    2. चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) कैमरा और माइक्रोस्कोप से जुड़े प्रदर्शन मॉनीटर के माध्यम से वास्तविक समय में संरेखण प्रक्रिया की निगरानी करें ।
  4. धीरे photomask की ओर सुई उठाने से तय लचीले photomask के साथ संपर्क में photoresist-लेपित hypodermic सुई लाओ ।
  5. 30 एस के लिए यूवी जोखिम बाहर ले (यूवी तीव्रता: 15 माइकल/2सेमी) और 3 मिनट के लिए विकासशील प्रक्रिया द्वारा इस का पालन करें ।
  6. DI पानी का उपयोग कर नमूने के बाहर डेवलपर कुल्ला ।
  7. एक माइक्रोस्कोप के माध्यम से परिणाम का निरीक्षण करने के लिए 200X आवर्धन निर्धारित करने के लिए कि क्या photoresist स्पष्ट रूप से Au-sputtered hypodermic सुई पर patterned है । अगर उजागर photoresist पूरी तरह से विकासशील प्रक्रिया के बाद हटा नहीं है, 30 एस अंतराल पर विकासशील प्रक्रिया को दोहराने ।

5. Cr/Au गीला नक़्क़ाशी

चेतावनी: से बचने के लिए सीआर और Au गीला etchants के साथ त्वचा/

  1. एक नोचना का प्रयोग करें नमूना अलग करने के लिए (photoresist नमूनों hypodermic सुई) ग्लास स्लाइड पर तय की ।
  2. 1 मिनट के लिए Au गीला खोदना में नमूना विसर्जित कर दिया ।
  3. DI पानी का उपयोग नमूना से बाहर Au खोदना कुल्ला ।
  4. एक खुर्दबीन 200X आवर्धन सेट के माध्यम से परिणाम का निरीक्षण । अगर सोने को हटा दिया जाना अभी भी रहता है, 10 एस अंतराल पर गीला नक़्क़ाशी प्रक्रिया दोहराएं । जरूरत से ज्यादा लंबे समय गीला नक़्क़ाशी interdigitated इलेक्ट्रोड (आईडीई) पतले बनाता है ।
  5. 30 एस के लिए सीआर खोदना में नमूना विसर्जित कर दिया ।
  6. DI पानी का उपयोग कर नमूने से बाहर सीआर खोदना कुल्ला ।

6. अवशिष्ट Photoresist और Passivation का निष्कासन

  1. 1 मिनट के लिए एक एसीटोन समाधान में नमूना (धातु पैटर्न hypodermic सुई) विसर्जित कर दिया ।
  2. DI पानी के साथ नमूना कुल्ला और 10 मिनट के लिए १०५ ° c पर एक गर्म थाली पर यह निर्जलीकरण ।
  3. कनेक्शन लाइनों के विद्युत passivation के लिए, हटना ट्यूब इतना है कि यह 2-3 मिमी इलेक्ट्रोड (20 मिमी, घुसना करने के लिए अधिकतम गहराई) से अधिक है, के रूप मेंचित्रा 2 में दिखाया गया है, क्योंकि HST की लंबाई HST सिकुड़ती के बाद कम हो जाएगा.
  4. स्थिति के बाद HST जहां तक संभव के रूप में आईडीई के अंत से, १५० डिग्री सेल्सियस पर एक गर्मी बंदूक का उपयोग कर HST के तापमान को कसकर सुई passivate बढ़ा ।

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Representative Results

interdigitated इलेक्ट्रोड (इडस), चित्रा 2में दिखाए गए के रूप में, इलेक्ट्रोड के अन्य आकारों की तुलना में एक सीमित सतह पर एक बड़ा प्रभावी संवेदन क्षेत्र में परिणाम. इडस की कुल लंबाई के लिए ८६० µm का पता लगाने और प्रतिबाधा परिवर्तन में से कम 1 मिमी के अंतराल पर विश्लेषण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो बायोप्सी और दवा वितरण प्रक्रियाओं में एक उच्च पता लगाने सटीकता प्रदान करेगा. इडस की कुल चौड़ाई ४०० µm है, जो प्रस्तावित photolithography प्रक्रिया का उपयोग करते समय hypodermic सुई की घुमावदार सतह पर एक ज्यामितीय व्यवहार्य आयाम है । इडस की खाई और चौड़ाई दोनों उतनी ही छोटी हैं जितनी २० µm, जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध फिल्म photomask के न्यूनतम आयामों के करीब होती हैं. अधिकतम पैठ की गहराई में एक कल्प के ऊतक 20 मिमी, थायराइड/प्रोस्टेट बायोप्सी और रीढ़ की हड्डी में संज्ञाहरण पर विचार करने के लिए डिज़ाइन किया गया है । कल्प की कुल लंबाई आवेदन के आधार पर समायोजित किया जा सकता है ।

के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया है, इडस सफलतापूर्वक ७२० µm के एक व्यास के साथ hypodermic सुई की नोक पर गढ़े हैं. यूवी लिथोग्राफी के दौरान ओवरडोज बाहरी के बीच अपूर्ण संपर्क से उत्पन्न होने वाली यूवी खुराक असंतुलन के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए आवश्यक था photomask और hypodermic सुई की घुमावदार सतह के भाग । इससे गैप बढ़ेगा और इडस की चौड़ाई में कमी आएगी जिससे पॉजिटिव photoresist के मामले सामने आएंगे । आयामी परिवर्तनों के प्रतिकूल प्रभाव को हल करने के लिए, चौड़ाई और अंतर जानबूझकर डिजाइन किए गए थे 25 µm और 15 µm पर photomask, क्रमशः । जिससे, दोनों चौड़ाई और इडस की खाई को सफलतापूर्वक यूवी जोखिम समय के अनुकूलन के द्वारा 20 µm हो गढ़े जा सकते हैं । hypodermic सुई की नोक से निर्माण मार्जिन के रूप में ६८० µm के रूप में छोटा है, जो अनावश्यक रूप से अत्यधिक आक्रमण से बचना होगा विद्युत प्रतिबाधा माप के दौरान. एक पालतू HST दोनों इडस और कनेक्शन लाइनों के लिए बिजली के इंसुलेशन परत के रूप में कार्यरत था, और भी कनेक्शन लाइनों के लिए बिजली के passivation परत के रूप में । HST कम विद्युत चालकता/permittivity, टिकाऊ यांत्रिक गुण एक पाली (पी-xylylene) बहुलक कोटिंग, रासायनिक प्रतिरोध के लिए सबसे अधिक एसिड और कुर्सियां, और जैव संगतता की तुलना में सुविधाएं ।

यांत्रिक स्थायित्व की दृष्टि से, डिवाइस विफलता (उदाहरण के लिए, इंसुलेशन परत, passivation परत, और/या बंद छीलने इलेक्ट्रोड) भी अधिक १०० बार में प्रवेश के बाद नहीं देखा गया था, जबकि एक पाली (पी xylylene) बहुलक १.५ µm की एक दीवार की मोटाई के साथ सुअर ऊतकों में प्रवेश सहन नहीं किया 20 से अधिक बार । यह इंगित करता है कि पीईटी HST sputtered इलेक्ट्रोड के साथ ही नैदानिक परीक्षणों के लिए उच्च स्थायित्व के साथ मजबूत आसंजन दिखाया । इसके अलावा, HST सबसे एसिड और कुर्सियां, जो कल्प को रसायन या जैव सामग्री के विभिंन प्रकार के बिजली के गुणों का पता लगाने के लिए सक्षम बनाता है अच्छा रासायनिक प्रतिरोध से पता चलता है और का उपयोग कर Au इलेक्ट्रोड के विद्युत जमाव के दौरान HST टिकाऊ रहता है एसिड समाधान (एच2तो4) । विद्युत जमाव की प्रक्रिया में, Au इलेक्ट्रोड परत को भग्न संरचनाओं, जो संवेदन इलेक्ट्रोड के प्रभावी क्षेत्र में सुई की सीमित सतह क्षेत्र पर काफी वृद्धि करने के लिए एक उच्च संवेदनशीलता को प्राप्त करने की अनुमति देता में विकसित करने के लिए जाता है ।

कल्प के भेदभाव की क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए और इसकी गहराई में profiling क्षमता को गैर-ऊतक, पंजाबियों के विभिंन एकाग्रता स्तर और चार स्तरित सुअर ऊतक कार्यरत थे, क्रमशः23। प्रतिबाधा विश्लेषक दोनों कल्प और एक लैपटॉप से जुड़ा हुआ था, के रूप में चित्रा 4में दिखाया गया. चार स्तरित सुअर ऊतक में गहराई रूपरेखा बाहर ले जाने के लिए, कल्प ऊंचाई नियंत्रक के लिए तय किया गया था, 10 µm के एक संकल्प के साथ. पंजाब के विभिंन एकाग्रता का स्तर 1x, 0.5 x, 0.25 x, 0.125 x, और 0.0625 एक्स के रूप में तैयार किया गया था, जो सीरियल कमजोर DI पानी के साथ 1x पंजाबियों द्वारा । प्रयोग में उपयोग में इडस और कनेक्शन लाइनों की लंबाई ३०० µm और 28 मिमी, क्रमशः था । के रूप में चित्रा 5में दिखाया गया है, कल्प सफलतापूर्वक पंजाब के विभिन्न एकाग्रता के स्तर को भेदभाव कर सकता है. क्योंकि 1x पंजाबियों di पानी के साथ प्रश्नपत्र पतला था, पतला पंजाबियों की विद्युत चालकता di पानी की बहुत छोटी चालकता की वजह से कमी आई । इस प्रकार, प्रतिबाधा की भयावहता के रूप में पंजाबियों की एकाग्रता के स्तर में वृद्धि हुई. कल्प के भेदभाव की क्षमता के आधार पर, चार स्तरित सुअर ऊतक की गहराई रूपरेखा 1 मेगाहर्ट्ज, जो हमारे पिछले अनुसंधान में इष्टतम आवृत्ति के रूप में फैसला किया गया था की आवृत्ति पर किया गया था । कल्प 1 मिमी की वृद्धि पर चार स्तरित सुअर ऊतक में डाला गया था. के रूप में चित्रा 5bमें दिखाया गया है, वसा ऊतक से मापा प्रतिबाधा के परिमाण स्पष्ट रूप से मांसपेशियों के ऊतकों की है कि से भेदभाव किया गया था, कल्प की पैठ गहराई के अनुसार.

Figure 1
चित्रा 1: समग्र EIS की योजनाबद्ध-पर एक सुई (प्रकल्प) निर्माण की प्रक्रिया. (क) hypodermic सुई की तैयारी, (ख) hypodermic सुई के बिजली के इंसुलेशन गर्मी हटना ट्यूब का उपयोग (HST, दीवार मोटाई: 25 µm), (ग) सीआर/Au जमाव sputtering या वाष्पीकरण का उपयोग, (घ) का स्प्रे कोटिंग photoresist (सकारात्मक प्रकार), (ङ) फिल्म photomask और photoresist-लेपित hypodermic सुई की संरेखण प्रक्रिया यूवी एक्सपोजर के द्वारा पीछा किया । फिल्म photomask interdigitated इलेक्ट्रोड (इडस) और संरेखण लाइन, (एफ) विकास की प्रक्रिया के पैटर्न भी शामिल है, (जी) सीआर/Au गीला नक़्क़ाशी, (एच) अवशिष्ट photoresist एसीटोन का उपयोग कर हटाने, और (I) Passivation पर HST का उपयोग कर कनेक्शन लाइनें । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: कल्प के विस्तृत संरचनात्मक योजनाबद्ध । संवेदन इलेक्ट्रोड के आकार hypodermic सुई की सीमित सतह पर एक बड़ा प्रभावी संवेदन क्षेत्र को सुरक्षित करने के लिए ठीक interdigitated इलेक्ट्रोड के लिए डिज़ाइन किया गया था. एक पालतू गर्मी हटना ट्यूब (HST) दोनों interdigitated इलेक्ट्रोड (इडस) और कनेक्शन लाइनों के लिए बिजली के इंसुलेशन परत के रूप में इस्तेमाल किया गया था, और भी कनेक्शन लाइनों के लिए बिजली passivation परत के रूप में इस्तेमाल किया गया था । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: सफलतापूर्वक गढ़े कल्प की सूक्ष्म छवियां । इडस की चौड़ाई और गैप दोनों ही 20 µm के रूप में कम हैं । interdigitated इलेक्ट्रोड्स (इडस) की कुल लंबाई और चौड़ाई क्रमशः ८६० µm और ४०० µm हैं. टिप से निर्माण मार्जिन ६८० µm के रूप में के रूप में छोटा है । इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: प्रयोगात्मक सेटअप के चित्र. कल्प की भेदभाव क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए और इसकी गहराई में profiling क्षमता के लिए, पंजाबियों के विभिंन एकाग्रता के स्तर और चार स्तरित सुअर ऊतक कार्यरत थे क्रमशः । चार स्तरित सुअर ऊतक में गहराई रूपरेखा बाहर ले जाने के लिए, कल्प 10 µm के एक संकल्प के साथ ऊंचाई नियंत्रक पर तय किया गया था । पंजाब के विभिंन एकाग्रता का स्तर 1x, 0.5 x, 0.25 x, 0.125 x, और 0.0625 एक्स के रूप में तैयार किए गए थे, प्रश्नपत्र (DI) पानी के साथ 1x पंजाबियों कमजोर । (क) समग्र सेटअप, (ख) पंजाब में डूबे कल्प, और (ग) चार स्तरित सुअर ऊतक. यह आंकड़ा पहले से प्रकाशित अध्ययन23से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: पंजाब और चार स्तरित सुअर ऊतक का उपयोग प्रयोगात्मक परिणाम. प्रकल्प के भेदभाव की क्षमता का मूल्यांकन (ए) पंजाबियों के विभिंन एकाग्रता के स्तर और (ख) चार स्तरित सुअर ऊतक । क्योंकि 1x पंजाबियों di पानी के साथ प्रश्नपत्र पतला था, पतला पंजाबियों की विद्युत चालकता di पानी की कम चालकता की वजह से वृद्धि हुई कमजोर पड़ने के साथ कम हुई । इस प्रकार, प्रतिबाधा की भयावहता के रूप में पंजाबियों की एकाग्रता के स्तर में वृद्धि हुई. सुअर ऊतक की गहराई की रूपरेखा 1 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर किया गया था, जो हमारे पिछले अध्ययन में इष्टतम आवृत्ति के लिए निर्धारित किया गया था23. वसा ऊतकों से मापा प्रतिबाधा की भयावहता कल्प की पैठ गहराई के अनुसार मांसपेशियों के ऊतकों की है कि से स्पष्ट रूप से भेदभाव किया गया था. F1, F2, M1, और M2 का प्रतिनिधित्व fat1, fat2, muscle1, और muscle2 में दिखाया गया चित्रा 4 (c), क्रमशः । यह आंकड़ा पहले से प्रकाशित अध्ययन23से संशोधित किया गया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: थोक उत्पादन के लिए धातु इलेक्ट्रोड जमा करने के लिए एक छाया मुखौटा के योजनाबद्ध. छाया मुखौटा ठीक संकल्प के साथ एक 3 डी प्रिंटर का उपयोग किया जा सकता है । छाया मुखौटा शारीरिक रूप से जहां धातु जमाव एक शारीरिक जमाव प्रक्रिया के दौरान अवांछित है क्षेत्र ब्लॉक कर सकते हैं, जैसे sputtering और/ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

हम प्रदर्शन किया है कि photolithography स्प्रे कोटिंग और एक फिल्म photomask का उपयोग कर एक व्यवहार्य विधि से कम 1 मिमी के एक छोटे से व्यास के साथ एक hypodermic सुई की घुमावदार सतह पर ठीक इडस बनाना है । दोनों चौड़ाई और इडस की खाई के रूप में 20 µm के रूप में कम कर रहे हैं, और टिप से निर्माण मार्जिन ६८० µm के रूप में के रूप में छोटा है । प्रोटोकॉल के भीतर, संरेखण प्रक्रिया, कील त्रुटि हटाने सहित, एक महत्वपूर्ण कदम है । जब कल्प व्यक्तिगत रूप से एक कठोर संरेखण प्रक्रिया के माध्यम से निर्मित किया गया था उत्पादन उपज ९०% से अधिक था । यह इंगित करता है कि प्रस्तावित निर्माण विधि एक किफायती मूल्य पर थोक उत्पादन के लिए विकसित किया जा करने के लिए क्षमता है ।

कल्पा के भेदभाव की क्षमता पहले पंजाब, सुअर वसा/मांसपेशी ऊतकों, और यहां तक कि मानव गुर्दे के ऊतकों6,23,24के लिए सत्यापित किया गया है । एक नैदानिक आवेदन सामान्य और घावों के ऊतकों के बीच शल्य मार्जिन का पता लगाने के द्वारा संभव के रूप में ज्यादा सामान्य ऊतक के रूप में संरक्षित करने के लिए ट्यूमर के आंशिक लकीर शामिल है कि सर्जरी के लिए है25. इसके अलावा, कल्प इस तरह के थायराइड के रूप में अन्य नैदानिक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जा करने के लिए उम्मीद है/प्रोस्टेट बायोप्सी और एक रीढ़ की हड्डी में संज्ञाहरण दवा वितरण अंतरिक्ष.

यद्यपि वर्तमान अध्ययन में इडस की चौड़ाई और अंतर २० µm के लिए गढ़े गए थे, फिर भी प्रिन्ट फिल्म photomasks का संकल्प बढ़ जाने पर उन्हें १० µm तक कम किया जा सकता है. एक अंय तरीका अंतर और इडस की चौड़ाई के आयामों को कम करने के लिए एक क्रोम मुखौटा के छोटे पैटर्न photolithography प्रक्रिया का उपयोग कर एक लचीला फिल्म के हस्तांतरण है । इस बीच, HST की दीवार मोटाई 25 µm से एक छोटे आकार है कि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है कम किया जा सकता है । 6 µm की एक दीवार की मोटाई के साथ एक छोटे HST प्रयोग करने के लिए विद्युत इंसुलेशन और passivation एक ही निर्माण की प्रक्रिया का उपयोग कर परत के लिए इस्तेमाल किया जा सत्यापित किया गया था । यह पशु ऊतकों में सम्मिलन प्रयोगों की सुविधा और यहां तक कि नैदानिक उपयोग में रोगियों के दर्द को कम करेगा ।

निर्माण विधि photolithography प्रक्रिया का उपयोग एक साथ कई hypodermic सुइयों की व्यवस्था और एक photomask सरणी डिजाइन द्वारा एक किफायती मूल्य पर एक उच्च उपज के साथ थोक उत्पादन के लिए विकसित किया जा सकता है । थोक उत्पादन के लिए एक अन्य व्यवहार्य विधि चित्रा 6में दिखाया गया है के रूप में उच्च संकल्प के साथ एक 3 डी प्रिंटर द्वारा किए गए छाया मुखौटा मोल्ड की एक सरणी का उपयोग करने के लिए है । छाया मुखौटा शारीरिक रूप से जहां धातु जमाव एक शारीरिक जमाव प्रक्रिया के दौरान अवांछित है क्षेत्र ब्लॉक कर सकते हैं, जैसे sputtering और/ cr/au छाया मुखौटा पर जमा सहज छाया मुखौटा के पुनः प्रयोग के लिए सीआर/Au गीले खोदना का उपयोग कर हटाया जा सकता है । अपेक्षित सीमाओं को संबोधित किया जा करने के लिए इस प्रकार हैं: 1) उच्च संकल्प के साथ एक 3 डी प्रिंटर की आवश्यकता है, 2) 3 डी प्रिंटर में प्रयुक्त सामग्री को रासायनिक रूप से छाया मुखौटा के पुनः प्रयोग के लिए सीआर/Au गीला खोदना करने के लिए प्रतिरोधी होना चाहिए, और 3) 3 डी प्रिंट में प्रयुक्त सामग्री एर sputtering प्रक्रिया के दौरान प्रेरित किया जा सकता है कि १५० डिग्री सेल्सियस से ऊपर तापमान पर ख़राब नहीं होना चाहिए । वर्तमान अध्ययन की अगली योजना के लिए एक किफायती मूल्य पर थोक उत्पादन विधि विकसित करने के लिए और रीढ़ की हड्डी में संज्ञाहरण और थायरॉयड/प्रोस्टेट बायोप्सी में कल्प की प्रयोज्यता सत्यापित करने के लिए है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह काम "जैव चिकित्सा एकीकृत प्रौद्योगिकी अनुसंधान" एक २०१७ में सार द्वारा प्रदान की अनुदान के माध्यम से परियोजना का समर्थन किया गया था ।

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

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References

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तंत्रिका विज्ञान अंक १२९ Hypodermic सुई interdigitated इलेक्ट्रोड स्प्रे कोटिंग लचीली फिल्म photomask विद्युत प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी EIS
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