Tillverkning av fina elektroder på spetsen av injektionsnål med fotoresist Spray beläggning och flexibla photomasken för biomedicinska tillämpningar
Summary
Metoden fabrication för fina interdigitating elektroder (gap och bredd: 20 µm) vid spetsen av injektionsnål (diameter: 720 µm) demonstreras med en spray beläggning och flexibel film photomasken i photolithography processen.
Abstract
Vi har infört en fabrication metod för elektrisk impedans spektroskopi (EIS) – på – en-nål (EoN: EIS-på-en-nål) att hitta målvävnaderna i kroppen genom att mäta och analysera skillnader i den elektriska impedansen mellan olika biotissues. Detta dokument beskriver metoden tillverkning av fina interdigitating elektroder (IDEs) på spetsen av injektionsnål med en fotoresist spray beläggning och flexibel film photomasken i photolithography processen. En polyeten polyetentereftalat (PET) krympslang (HST) med en väggtjocklek av 25 µm är anställd som isolering och passivering lager. PET HST visar en högre mekanisk hållbarhet jämfört med poly(p-xylylene) polymerer, som har använts som dielektriska beläggningsmaterial. Dessutom finns HST, som visar god kemisk resistens mot de flesta syror och baser, vilket är fördelaktigt för att begränsa kemiska skador på EoN. Användningen av EoN är speciellt Rekommenderad för karakterisering av kemikalier/biomaterial eller tillverkning använda sura/grundläggande kemikalier. De fabricerade klyfta och bredd av IDEs är så liten som 20 µm, och den övergripande bredd och längd av IDEs är 400 µm och 860 µm, respektive. Fabrication marginal från spets (avståndet mellan spetsen på injektionsnål och startpunkten för IDEs) injektionsnålen är så liten som 680 µm, vilket indikerar att onödigt överdriven invasion in biotissues kan undvikas under den elektrisk impedans mätning. EoN har en hög potential för klinisk användning, såsom för sköldkörteln biopsier och anestesi drogen leverans i en spinal utrymme. Vidare även i kirurgi som innebär den partiell resektion av tumörer, EoN kan vara anställd för att bevara som mycket tumörvävnad som möjligt genom att upptäcka kirurgiska marginalen (normal vävnad som tas bort med den kirurgisk excision av en tumör) mellan normalt och lesion vävnader.
Introduction
Injektionssprutor utnyttjas allmänt sjukhus för biopsier och drogen leverans eftersom de är billiga och lätt att använda. De har också utmärkta mekaniska egenskaper trots deras tunna diameter och en struktur som är lämplig för invasionen vassa. Under en biopsi provtas målvävnaderna i fördjupningen av injektionsnålen med ultraljud vägledning1. Även om ultraljud är fritt från strålning, säkert för foster och gravida kvinnor, och ger realtid imaging, är det svårt att se organ som är djupt in i kroppen, särskilt när det gäller överviktiga patienter eftersom ultraljudsvågor inte kan tränga igenom luft eller fettvävnader2. Dessutom en kirurg kan inte förvärva fördjupad information från de tvådimensionella ultraljud som är konventionellt utnyttjas i de flesta sjukhus, vilket resulterar i behovet av flera biopsier om läkare saknar skicklighet eller erfarenhet. I drogen leverans för spinal anestesi avgöra läkare att nålen har nått spinal utrymmet om cerebrospinalvätska (CSF) rinner bakåt i sprutan försiktigt in nålen i patientens rygg. Efter att ha bekräftat återflöde av CSF, injiceras anestesi drogen i spinal utrymme3. Läkare riskerar dock genomträngande eller skära av nervtrådar i spinal rymden, orsakar svår smärta patienter och även paraplegi4,5. Denna procedur kräver således också en skicklig läkare. En lösning att övervinna och mildra de ovannämnda svårigheterna är att lägga till en navigering funktion injektionsnålen så att objektiv information om nålens position kan tillhandahållas. Detta skulle hjälpa läkare lätt utföra en biopsi, drogen leverans och ännu en operation utan förlitar sig på deras empiriska dom bara.
För elektriskt lokalisera målvävnaderna i kroppen, injektionsnål införliva en elektrisk impedans-spektroskopi har (EIS) sensor införts som EIS-på-en-nål (EoN)6. EIS sensorn är för närvarande utnyttjas inom medicinsk teknik för applikationer såsom DNA upptäckt7,8,9, bakterier/virus upptäckt10,11,12 , och analys på cellerna eller vävnaderna13,14,15,16,17,18,19,20 , 21 , 22. the EoN kan diskriminera mellan olika material i en frekvens domän baserat på deras elektriska ledningsförmåga och Dielektricitetskonstant. Diskriminering förmåga EoN verifierades för olika koncentrationsnivåer av fosfatbuffrad saltlösning (PBS)23, svin fett/muskler vävnader6,23, och även mänskliga normal/njurcancer vävnader24 ,25. Denna förmåga att EoN förväntas avsevärt öka biopsi noggrannheten genom att lokalisera målvävnaderna baserat på skillnader i elektrisk impedans mellan lesion målvävnaderna och angränsande normala vävnader. På ett liknande sätt, utredande skillnader i den elektriska impedansen mellan injektionsmissbruk utrymme (spinal eller epidural utrymme) och omgivande vävnader kan hjälpa läkare leverera en anestesi drog på exakta målplatsen. Dessutom kan EoN utnyttjas för att elektriskt stimulera hjärnan/muskeln samt för att bestämma en optimal kirurgisk marginal under operationer som involverar den partiell resektion av en tumör, t ex partiell nefrektomi, bevara som mycket normal vävnad som möjligt.
En av de största utmaningarna i förverkligandet av EoN är tillverkning av elektroder på böjda ytan av injektionsnål med en liten radie av krökning. Direkt metall mönster med en konventionell photolithography process har betraktats som olämpliga för tillverkning av micro-storlek elektroder på en böjd substrat med en diameter på flera millimeter eller mindre. Hittills har olika metoder, inklusive conformal utskrift26, flexibel torr film fotoresist27, ultrakalla metod28, nanoimprint litografi29och substrat-roterande litografi30, har varit införs för att tillverka metall/polymer mönster på en böjd yta. Det finns dock fortfarande begränsningar på grund av krav som EoN, såsom nödvändiga underlaget med en diameter på mindre än 1 mm, total elektrod längd 20 mm eller mer, bredd och gap av elektroder varierar i tiotusentals mikrometrar, och hög volymproduktion.
I den aktuella studien föreslås direkt metall mönster genom att anställa fotoresist spray beläggning och en flexibel film photomasken att inse micro-storlek elektroder på böjda ytan av injektionsnål. Diametern på nålen är så liten som 720 µm (22 gauge), som ofta används för biopsier och drogen leverans på sjukhus. Produktionen avkastningen av den föreslagna fabrication-metoden är också utvärderas för att fastställa genomförbarheten av huvuddelen produktion till ett överkomligt pris.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi visat det photolithography med spray beläggning och en film fotomask är en genomförbar metod att tillverka fina IDEs på böjda ytan av injektionsnål med en liten diameter på mindre än 1 mm. Både bredd och mellanrummet av IDEs är så låg som 20 µm, och fabrication marginalen från spetsen är så liten som 680 µm. Inom protokollet är justeringsprocessen, inklusive kil fel uttag, ett viktigt steg. Produktionen avkastningen var över 90% när EoN har tillverkats individuellt genom en rigorös justeringsproce…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av projektet ”biomedicinsk integrerad teknik forskning” genom ett bidrag som tillhandahålls av GIST 2017.
Materials
| 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).
