تصنيع وتوصيف نظام الكتروني مثل الجلد امتثالي لإدارة الكمي، الجلدي الجرح

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

في دراسة سريرية والبحوث الطبية الحيوية، ركزت رصد التئام الجروح على طريقة الغازية التي تقوم على التقييم النسيجي للنسيج التغيير المورفولوجي في الجروح 1،2. في الآونة الأخيرة، والتقدم السريع في التقنيات الإلكترونية تتيح تطوير التصوير والتحليل أدوات عالية الدقة التي يمكن أن تفقد البصر الجرح عملية الشفاء عن طريق التصوير الرقمي 3،4 أو متحد البؤر المجهر والتحليل الطيفي 4،5. ومع ذلك، هذه النهج التصوير تتطلب تكلفة عالية، والأدوات والعمليات البصرية المعقدة، والأهم من ذلك، يحتاج المرضى إلى أن يجمد أثناء الاختبار. لذلك، هناك حاجة للأجهزة والأنظمة الجديدة التي الكمية، غير الغازية، وسهلة الاستخدام، وغير مكلفة، ومتعددة الوظائف لتقديم إدارة الجرح أكثر دقة.

هنا، ونحن نقدم نظاما إلكترونيا مثل الجلد التي توفر الدقيق، ورسم الخرائط في الوقت الحقيقي من درجة الحرارة والحرارية conductivity وتقدم مستوى دقيق للتدفئة في مواقع الجرح عن طريق امتثالي التصفيح الجهاز غير جراحية. ويعرض هذا الجهاز فئة التكنولوجيا، محمولة على الجلد البشرة الأنظمة الإلكترونية التي تم تصميمها لتتناسب إلى الخواص الميكانيكية والمواد (مجموع سمك، والانحناء صلابة، الرجوعية فعالة، والكثافة الجماهيرية) من البشرة 6-9.

تم تصميم الجهاز في حيويا، والجلد ودية، واقية من الماء، وشكل قابلة لإعادة الاستخدام التي يمكن غسلها وتطهيرها عن التطبيقات السريرية على المرضى 10. جهاز الكتروني امتثالي شنت بالقرب من أنسجة الجرح يجسد مرحلة الالتهاب (واحد من عملية التئام الجروح)، والناجمة عن زيادة تدفق الدم والتفاعلات الإنزيمية على الجرح 11،12، من خلال تسجيل الكمي لدرجة الحرارة 8 والتوصيل الحراري 13، المترابطة لترطيب . الدراسات التجريبية والحسابية التي تحدد تصميم الميكانيكا الأمثل لaccommodأكل الاقتراحات الطبيعية وسلالات تطبيقها دون كسر الميكانيكية والتقاط الفيزياء الكامنة وراء تمتد ميكانيكا والالكترونيات مثل الجلد الذي شرائح conformally على سطح الجلد، والتي تقدم اقتناء إشارات الدقة العالية.

البروتوكولات وصفها في هذه المادة وأساليب التصنيع الدقيق لأنظمة مثل الجلد الإلكترونية، واختبار إعداد بما في ذلك تنظيف الجهاز، إعداد المعدات في عملية إعداد سريرية، والتطبيقات السريرية لرصد الكمي لدرجة الحرارة والموصلية الحرارية على الجروح الجلدية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

التجارب لتصنيع الجهاز، التصفيح الجلد، وتوصيف الظاهرة الشكلان 1 و 2 و 4 المعنية اثنين من المتطوعين، كل أجريت في مختبر هندسة نانوية بيو ربطه في جامعة فرجينيا كومنولث (جامعة فرجينيا كومنولث)، ريتشموند، VA، الولايات المتحدة الأمريكية. تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل جامعة فرجينيا كومنولث جنة المراجعة المؤسساتية (البروتوكول رقم: HM20001454) وفقا للمبادئ التوجيهية بحثية من أبحاث جامعة فرجينيا كومنولث الإنسان. تم الحصول على بيانات الجهاز والسريرية هو موضح في أرقام 3 و 5 من المادة 10 حيث نشرت أجريت تجارب على المرضى بموجب البروتوكول (رقم: STU69718) التي وافق عليها مجلس مراجعة المؤسسية، جامعة نورث وسترن في شيكاغو، IL، الولايات المتحدة الأمريكية.

1. تصنيع الجهاز

ويبين الشكل 2 التوضيحية التخطيطي لعملية تلفيق التقييم: ملاحظة.

  1. يعد الركيزة الناقل
    1. قطع عارية 3 في السيليكون (سي) رقاقة إلى الحجم المطلوب من الالكترونيات باستخدام شفرة الماس.
      ملاحظة: حوالي نصف سي رقاقة يعطي الحجم الأمثل للجهاز الجرح.
    2. أزل الشحم سي الرقاقة مع الأسيتون والكحول الآيزوبروبيل (IPA). شطف الرقاقة مع منزوع الأيونات (DI) الماء ثم الجافة مع النيتروجين ويذوى على موقد في 110 درجة مئوية لمدة 3 دقائق.
    3. إعداد 11 غرام من polydimethylsiloxane (PDMS) خليط مع 10: 1 نسبة حجم قاعدة وكيل علاج وديغا الخليط في فراغ الغرفة لمدة ساعة.
      ملاحظة: يتم استخدام PDMS لاسترجاع النمط الجاف ونقل الطباعة بعد التصنيع الدقيق، والذي هو أفضل من مادة كيميائية رطبة (الأسيتون) النهج القائم من الدراسة السابقة 7.
    4. تدور معطف 5 غرام من حل PDMS مختلط على الرقاقة عند 3000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة وعلاج تماما على موقد في 150 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
  2. المواد الودائع والالكترونيات نمط
    1. علاج PDMS-جرقاقة oated مع الأشعة فوق البنفسجية (UV) / الأوزون باستخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية (8.9 ميغاواط / سم 2) لمدة 3 دقائق لجعل محبة للماء السطح.
      ملاحظة: سطح ماء يقدم طلاء موحد للطبقات إضافية على PDMS.
    2. بوليميد Spincoat (PI؛ 2 مل) على PDMS المغلفة ويفر، من قبل pipetting، في 4000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة لتشكيل طبقة 1.2 ميكرون سميكة، قبل خبز على موقد في 150 درجة مئوية لمدة 5 دقائق، ولما بعد تخبز في 250 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
    3. إيداع الكروم (الكروم) لتشكيل طبقة 20 نانومتر سميكة ثم تودع النحاس (النحاس) لتشكيل طبقة 3 ميكرون سميكة باستخدام شعاع الإلكترون (شعاع ه) التبخر (قاعدة الضغط: ~ 1 × 10 -7 عربة وضغط ترسب: ~ 1 × 10 -6 عربة، ومعدل ترسب: 1-5 A / S). رصد سمك الفيلم من قبل واجهة تحكم ترسب جزءا لا يتجزأ من المبخر.
      ملاحظة: طبقة سميكة من النحاس توفر مستويات كافية من التوصيل الكهربائي على المقاومات الميكروسكيل الجهاز وطبقة رقيقة الكروميستخدم لتعزيز التصاق بين PI والنحاس.
    4. Spincoat ومقاومة للضوء (2 مل) مع ثلاث خطوات في 900 دورة في الدقيقة لمدة 10 ثانية، 1100 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية، و 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 20 ثانية ثم علاجه على موقد في 75 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
      ملاحظة: خطوات متتابعة المذكورة أعلاه استخدمت لإيداع سميكة (> 10 ميكرون) مقاومة للضوء.
    5. محاذاة النحاس الالكترونية أنماط (أجهزة الاستشعار، كسورية تصميم "بيانو" مع 35 ميكرون في العرض والوصلات، وتصميم شبكة مفتوحة اعوج مع 50 ميكرون في العرض) في مركز سي الرقاقة باستخدام اليجنر الأشعة فوق البنفسجية (الطاقة: 10 ميغاواط / ثانية) مع مرور الوقت تعرض 25 ق.
      ملاحظة: يتم استخدام الهياكل كسورية لتوفير stretchability الميكانيكية متفوقة، مقارنة الميزات مجرد التعرجات 14.
    6. تطوير مقاومة للضوء في مطور قاعدة المخفف (1: 2 نسبة المطور والمياه DI) لمدة دقيقة ثم يشطف بالماء DI، والجافة مع النيتروجين. تفقد أنماط (فركتلات النحاس والوصلات) باستخدام الصغيرنطاق لتأكيد حجم ميزة والعثور على أي عيوب من الجسيمات.
      ملاحظة: إذا كان هناك أي عيوب غير المرغوب فيها، ثم إزالة مقاومة للضوء قبل الشطف بالماء الأسيتون / IPA / DI. بعد التجفيف مع النيتروجين، كرر الخطوات من 1.2.4 إلى 1.2.6.
    7. حفر طبقة النحاس على سي الرقاقة عن طريق غمر في منمش الكيميائي الرطب ل~ 6 دقيقة (10 مل، مزيج من فوق كبريتات الأمونيوم والمياه في نسبة 1: 4؛ حفر بمعدل 8 نانومتر / ثانية في 40 ° C)، شطف مع الماء DI، والجافة مع النيتروجين. تفقد أنماط استخدام المجهر لأي أنماط على محفورا.
      ملاحظة: إذا تم الإفراط في محفورا أنماط، فإنه قد يسبب حواف حادة غير المرغوب فيها من الميزات، مما قد يؤدي إلى كسر الميكانيكية خلال التعامل مع الجهاز وعملية الغسيل. أظهرت نتائج الاختبارات السابقة أن أكثر من 20٪ ~ الإفراط في النقش من الأنماط الأصلية تسببت في القضايا المذكورة آنفا.
    8. حفر طبقة الكروم مع رد الفعل ايون النقش (ري، والضغط: 300 mTorr، الطاقة: 200 W، CF 4 الغاز: 5 قCCM، O 2 الغاز: 10 SCCM) لمدة 5 دقائق. تفقد الأنماط.
      ملاحظة: للحصول على النقش من طبقة الكروم، عملية ري هي أفضل من الرطب الحفر الكيميائي الذي يسبب رد فعل غير المواتية مع طبقة النحاس.
    9. إزالة مقاومة للضوء بقي على طبقات المعادن عن طريق غمر الرقاقة في الأسيتون (10 مل)، IPA (10 مل)، والمياه DI (20 مل) على التوالي. ثم، جففه مع النيتروجين.
    10. PI Spincoat (2 مل) على المعدن أودعت ويفر، من قبل pipetting، في 4000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة لتشكيل طبقة 1.2 ميكرون سميكة، قبل خبز على موقد في 150 درجة مئوية لمدة 5 دقائق، وبعد خبز-في 250 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
    11. Spincoat ومقاومة للضوء (2 مل) مع ثلاث خطوات في 900 دورة في الدقيقة لمدة 10 ثانية، 1100 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية، و 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 20 ثانية ثم علاجه على موقد في 75 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
    12. محاذاة أنماط PI لتغليف الالكترونيات النحاس (أجهزة الاستشعار، كسورية تصميم "بيانو" مع 35 ميكرون في العرض والوصلات، وتصميم شبكة مفتوحة اعوج مع 250ميكرومتر في العرض) مع فركتلات النحاس محددة مسبقا والوصلات باستخدام اليجنر الأشعة فوق البنفسجية (الطاقة: 10 ميغاواط / ثانية) مع مرور الوقت تعرض 25 ثانية.
    13. تطوير مقاومة للضوء مع مطور المخفف (1: 2 نسبة المطور والمياه DI) لمدة دقيقة ثم يشطف بالماء DI، والجافة مع النيتروجين. تفقد أنماط باستخدام المجهر للتأكد من حجم الميزة وجدت أي عيوب من الجسيمات.
      ملاحظة: إذا كان هناك أي عيوب غير المرغوب فيها، ثم إزالة مقاومة للضوء قبل الشطف بالماء الأسيتون / IPA / DI. بعد التجفيف مع النيتروجين، كرر الخطوات من 1.2.10 الى 1.2.13.
    14. حفر طبقة PI مع ري (الضغط: 170 mTorr، الطاقة: 150 W، O 2 الغاز: 20 SCCM) لمدة 25 دقيقة. تفقد الأنماط.
    15. إزالة مقاومة للضوء بقي بغمر رقاقة في الأسيتون (10 مل)، IPA (10 مل)، والمياه DI (20 مل) على التوالي. ثم، جففه مع النيتروجين.
  3. إعداد الغشاء من اللدائن المرنة
    1. إعداد 10 غرام من خليط التغليف سيليكون (1:1 نسبة حجم قاعدة وكيل علاج) وإضافة الحبر الأسود 15 مع 1-1 نسبة حجم، وهو تيسير قياسات السيطرة على اختلاف درجة الحرارة على الجلد باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء.
      ملاحظة: السيليكون المستخدمة (مطاط وتغليف واضح) يوفر خصائص فريدة من اللزوجة المنخفضة، والوضوح البصري، والعزل الكهربائي / الحماية للجهاز 16.
    2. Spincoat 8 غرام من الخليط في طبق بتري في 150 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة لتشكيل 500 ميكرون الغشاء من اللدائن المرنة سميكة والعلاج في RT لO / N.
      ملاحظة: تحتاج هذه المواد إلى وضعها على سطح مستو لسمك موحد.
    3. قطع الغشاء إلى الحجم المطلوب 70 مم × 30 مم باستخدام شفرة حلاقة حادة وسلخه بلطف من طبق بتري.
  4. استرجاع ونقل الالكترونيات
    1. قطع شريط للذوبان في الماء (25 ملم × 80 ملم) وصفح بلطف على أنماط الإلكترونية ملفقة ووضعها على موقد في 130 ° Cلمدة 3 دقائق.
      ملاحظة: درجة الحرارة الارتفاع توسع طبقة PDMS على رقاقة سي للمساعدة في التفكك من أنماط الإلكترونية من على سطح الأرض.
    2. فصل الشريط بسرعة من PDMS / سي رقاقة لاسترداد أنماط الإلكترونية.
    3. إيداع 20 نانومتر سميكة ريال برازيلي (للالتصاق) تليها 50 نانومتر ثاني أكسيد السيليكون سميكة (شافي 2) على أنماط استردادها بواسطة البريد شعاع تبخر.
    4. علاج الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون باستخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر، 8.9 ميغاواط / سم 2) على غشاء السيليكون المستهدفة لمدة 2 دقيقة لتنشيط السطح.
    5. نقل أنماط لغشاء السيليكون عن طريق وضع أنماط استردادها على الشريط إلى الموقع المطلوب وبشكل متساو مضيفا ضغوط من الجانب العلوي من أنماط وصولا الى الركيزة. تطبيق المياه بحل الشريط لمدة 5 دقائق.
      ملاحظة: يتم تسهيل عملية وصفت من نقل المواد من قبل الرابطة التساهمية (سي-O-سي) بين ثاني أكسيد السيليكون المودع وتنشيط للأشعة فوق البنفسجية سيليكون الركيزة 17
    6. انزع الشريط، وشطف مع الماء DI، والجافة على موقد عند 90 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة.
  5. تغلف الجهاز باستخدام غشاء السيليكون
    1. إعداد 10 غرام من خليط التغليف سيليكون (1: 1 نسبة حجم قاعدة وكيل علاج).
    2. تغطية منصات الاتصال كابل مع قطعة PDMS مستطيلة (22 × 6 × 1 مم 3) عن طريق فان دير فال الترابط مع غشاء السيليكون السفلي، لتجنب طلاء السيليكون منصات.
    3. Spincoat 5 غرام من خليط سيليكون في 4000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة لتشكيل طبقة 5 ميكرون سميكة على الالكترونيات نقلها ومن ثم علاج في RT لO / N.
  6. توصيل كابل الشريط مرنة للحصول على البيانات
    1. تطبيق التمويه الصلب السائل (0.5 مل)، قبل pipetting، على منصات الموصل لمدة 3 ثانية لجعل سطح نظيف.
    2. السندات رقيقة ومرنة كابل الشريط على نقاط الاتصال مع الضغط في درجة حرارة عالية (> 60 ° C). A straightene الشعر نموذجيةتقدم ص سهولة التعامل والترابط.
      ملاحظة: كابل الفيلم الصغير هو أفضل من التقليدي الثابت سلك لحام لتجنب أي كسر الميكانيكية للأغشية معدنية نقلها على السيليكون.
    3. تحقق من توصيل الكهربي باستخدام الرقمي المتعدد. ومن المتوقع أن قيمة المقاومة أقل من 1 أوم بين لوحة أجهزة الاستشعار مع نهاية واحدة وعلى الطرف الآخر من الكابل فيلم (المسافة: ~ 1 سم بعيدا).
    4. السندات الطرف الآخر من الكابل الشريط لوحة الدوائر المطبوعة حسب الطلب مع نفس الاستراتيجية هو موضح في الخطوة 1.6.2.
    5. تحقق من توصيل الكهربي باستخدام الرقمي المتعدد.
    6. توصيل الجهاز مع الأجهزة الحصول على البيانات عن طريق لحام الأسلاك التقليدية على الكلور.

2. اختبار سريري

  1. تنظيف الجهاز باستخدام محلول مطهر
    1. إعداد 205 غرام من محلول مطهر المخفف (40: 1 نسبة حجم المياه والحل).
    2. رشالحل (10 غ) على الجهاز ونقع لمدة 10 دقيقة.
      ملاحظة: يمكن تخزين نظافة مطهر المخفف في RT.
    3. يشطف بالماء ثلاث مرات وجففها مع الأنسجة نظيفة.
  2. اقامة سلسلة من معدات لاختبار جهاز
    1. إعداد وتوصيل مكبر للصوت قفل في مع مصدر الحالي، معدد، وبرامج مخصصة المثبتة على جهاز كمبيوتر محمول لتسجيل البيانات.
    2. وضع كاميرا الأشعة تحت الحمراء على ترايبود والتركيز على الكائن الهدف لالحراري كمرجع.
    3. إعداد المعلمات نظام قفل في مكبر للصوت لقياس التوصيل الحراري (تردد: 1 و 3 هرتز؛ وقت ثابت: 3 و 1 ثانية؛ حساسية: 1 بالسيارات أو احتياطي حيوي: احتياطي عالية) ودرجة الحرارة (التردد: 997 هرتز؛ وقت ثابت: 300 ميللي ثانية؛ حساسية: 2 بالسيارات أو احتياطي حيوي: انخفاض مستوى الضجيج) مع تطبيق ثابت الحالي (2 مللي أمبير).
    4. ربط جهازين الجرح، من خلال التصنيع الدقيق ونقل الطباعة أعدت والتي شنت على الجرح ومواقع المقابل، إلى معدد الحق قبل تسجيل البيانات من المريض.
  3. تسجيل درجة الحرارة والموصلية الحرارية
    ملاحظة: يتم مصنوعة خصيصا البرنامج الحصول على البيانات، والتي يمكن التحكم عن بعد قفل في مكبر للصوت لرصد البيانات في الوقت الحقيقي والادخار. في قياس درجة الحرارة، ويتم قياس كل نقطة بيانات كل 300 مللي ثانية لمدة 20 ثانية. وتستخدم مجموعة من البيانات للثانية 10 الأولى و 10 ثانية المقبل لحساب متوسط ​​قيمة درجة الحرارة والانحراف المعياري، على التوالي. ثم يتم حفظ البيانات المسجلة كملف قيمة مفصولة بفواصل، والذي يستخدم في رسم بياني للمقارنة مع بيانات من الحراري بالأشعة تحت الحمراء. في قياس الموصلية الحرارية، وقراءة الإشارات 3Ω مباشرة من شاشة جهاز (مكبر للصوت)، والتي يتم بعد ذلك استخدامها لحساب التوصيل الحراري التحليلية.
    1. فرك بلطف المواقع تطبيق الجهاز على الجلد باستخدام الكحول مطهر مناديل 10.
    2. 2.3.2) صفح جهازين على المواقع الجلد المطلوبة بالضغط بلطف الجهاز على الجلد مع الأصابع لتسهيل الترابط لينة: واحدة على موقع الجروح وغيرها على موقع المقابل كمرجع.
    3. قياس الجهد الكهربائي (3Ω)، المتعلقة التوصيل الحراري، من الجهاز عن طريق البدء في الحصول على البيانات.
    4. تقييم البيانات التي تم الحصول عليها للتحقق من الاتصال امتثالي من الجهاز على الجلد. قيمة غير طبيعية (<0.1 W / الكنيست) يظهر الاتصال سيئة للجهاز.
    5. قياس المقاومة الكهربائية لتحديد توزيع درجات الحرارة وتسجيل البيانات من خلال برامج مخصصة.
    6. التقاط صور الضوئية والأشعة تحت الحمراء للجهازين على الجلد.
    7. مقارنة قيم درجة الحرارة من صور الأشعة تحت الحمراء مع البيانات المسجلة من الجهاز الجرح (2.3.5). إضافة كل القيم لفصل الأعمدة في جدول حسب الطلب.
  4. تحليل البيانات المسجلة
    1. تصدير البيانات المسجلة لتخصيص قالب لحساب درجة الحرارة والتوصيل الحراري تلقائيا من مجموعة من أجهزة الاستشعار في الجهاز.
    2. رسم البيانات (درجة الحرارة والموصلية الحرارية وفقا لموقع جهاز استشعار على نطاق زمنية مختلفة) للمقارنة على مدى شهر واحد (أربع مجموعات من البيانات في يوم 1 و 3 و 15 و 30).
    3. تحليل البيانات من خلال مقارنة سلسلة من درجة الحرارة والبيانات الموصلية الحرارية وفقا لآخر. القيم مع الارتفاع المفاجئ أو انخفاض نقول للتغيير التئام الجروح المرحلة و / أو شذوذ غير متوقع على مواقع الجرح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 1 لمحة عامة عن خصائص امتثالي، نظام يشبه الجلد الإلكترونية، والمصممة لكمية، إدارة الجرح الجلدية على المرضى. يتكون جهاز الكتروني متعدد الوظائف للهياكل كسورية الميكروسكيل 3،14 واعوج الخيطي يتتبع 9،17 على غشاء رقيق من اللدائن المرنة التي توفر stretchability الميكانيكية استثنائية وbendability. الجهاز متوافق محاطة تماما من طبقات السيليكون يمكن لطيف، التصفيح عكسها على الجلد من خلال التفاعلات فان دير فال وحدها. وتشمل الخصائص الفريدة للجهاز توافق مع الحياة، مقاومة الماء، وسهولة الاستخدام، والمرونة الميكانيكية للاستخدام في المرافق الصحية واقعية.

دمج المواد المختلطة مثل البوليمرات والمعادن (سيليكون، بوليميد، والنحاس) غلة عبوة آمنة كهربائيا، وماء، وحيويا (الشكل 2A).يتم وضع المقاومات (35 ميكرون في العرض و 3 ميكرون في سمك) في الطائرة الميكانيكية محايدة، من خلال بوليميد المغلقة (PI، 1.2 ميكرون في سمك) طبقات، للحد من تطبيق سلالات الانحناء على جوهر؛ ومجموعة من كسورية (النحاس النحاس) مادة (النحاس) في التطبيقات السريرية.

سمك الكلي للجهاز على غشاء السيليكون هو فقط ~ 600 ميكرون من خلال تقديم bendability المدقع. تصف الرسوم التوضيحية التخطيطي في الشكل 2B عملية التصنيع الدقيق للنظام مثل الجلد الإلكتروني. طريقة تصنيع يجمع بين تقنيات التصنيع الدقيق التقليدية (معدنة، ضوئيه، والنقش) مع تقنيات نقل الطباعة وضعت حديثا (استرجاع ونقل والربط) 9،14،18،19. هذا النوع من جهاز يمكن زيادتها باستخدام كبيرة الطباعة نقل النطاق مع معدات الطباعة الآلية 20،21.

ويلخص الشكل 3 ميكانيكال stretchability وظائف الكهربائية والالكترونيات مثل الجلد، وذكرت في العمل قبل 10. الميكانيكا والمواد الدراسية باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) تقدم تصميم النظام الأمثل لاستيعاب الحركات الطبيعية والسلالات، والمشاركة في الاستخدام السريري التطبيقية، دون كسر الميكانيكية (الشكل 3A، أعلى). تظهر الدراسة التجريبية التي يعرض السلوك الميكانيكي للبنية كسورية مع سلالات الشد تصل إلى 30٪ (الشكل 3AA، أسفل) اتفاق جيد مع نتائج FEM. ويستخدم الجهاز مع المقاومات الميكروسكيل للقياس الكمي لدرجة الحرارة والموصلية الحرارية وتوفير الدقيق والتدفئة مترجم (أرقام 3B - 3D). تم الحصول على منحنى معايرة المقاومة الكهربائية وفقا لتغير درجة الحرارة باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء وصفيحة ساخنة ذات حساسية عالية (الشكل 3B). كان أسلوب تقييم وقياس الموصلية الحراريةمقتبسة من تقنية أوميغا 3 13 يستخدم 3 إشارات أوميغا الجهد في ترددين الحالية بالتناوب مختلفة (الشكل 3C). التيار الكهربائي التطبيقية (35 أمبير مع 10 ميغاواط) إلى المقاومات كسورية يحدث قانون جول، الذي يقدم التحكم في درجة الحرارة يشتغل في وضع العلاجي (الشكل 3D).

لالعملية والتطبيقات السريرية، وعملية التنظيف اقترح الجهاز باليد تتضمن التطهير قبل استخدامها على المرضى. رش محلول مطهر على الجهاز للماء وبعد الشطف بالماء ثلاث مرات يستعد الجهاز لاختبار سريري (أرقام 4A و 4B). تقييم توافق مع الحياة النوعي للجهاز يستخدم المجهر الاتصال الرقمي لتفقد البصر سطح الجلد (الشكل 4C)، الذي يحقق في تغيير لون الجلد والملمس على دورات متعددة الاستخدام على المرضى. والأشعة تحت الحمراء (IR) thermograpHY يمكن إجراء تقييم كمي لظروف الجلد لمدة أسبوعين تقريبا (الشكل 4D) منذ آثار جانبية مثل يسبب حمامي درجات الحرارة الارتفاع 22. ومغلفة أجهزة فحص بالقرب من أنسجة الجرح والموقع المقابل (كمرجع). ويجري تسجيل المعلمات ذات الصلة من درجة الحرارة والموصلية الحرارية باستخدام نظام الحصول على البيانات وIR التصوير في قاعة الامتحان (أرقام 4E و4F).

ويبين الشكل 5 بيانات تمثيلية القياس الكمي للالجلدي التئام الجروح على المريض من دراسة سابقة 10. وتظهر سلسلة من الصور في الشكل 5A عملية رصد التئام الجروح مع الجهاز محمولة على الجلد على مدى شهر واحد. ومغلفة الجهاز الجرح مصبوغ مع الحبر الأسود بالقرب من الجروح. يصادف القلم على الجلد وجهت تركيب الجهاز على نفس الموقع لدات الكمي مقارنة من يوم 1 إلى يوم 30. قياس درجة الحرارة والتباين الموصلية الحرارية باستخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار في الجهاز والمقارنة بين المواقع الجرح والمرجعية يلتقط مرحلة التئام الجروح، والتهاب (الأرقام 5B - 5E). كانت حساسة للغاية، ستة أجهزة استشعار في الجهاز الجرح قادرة على التقاط تغيير الحد الأدنى من درجة حرارة الجسم ونقطة التهاب شديد في يوم 3 (الأرقام 5B - 5C) وسجل تباين التوصيل الحراري (أرقام 5D - 5E). وقد تم قياس مجموعة من البيانات المرجعية من الجانب المقابل كمجموعة تحكم.

الشكل 1
الشكل 1. نظرة عامة حول خصائص، جهاز مراقبة الجرح مثل الجلد على المريض.> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. جهاز تلفيق (A) توضيح تخطيطي لتخطيطات جهاز (يسار؛ طبقة 1: سيليكون شفاف في الجزء العلوي، طبقة 2: PI، طبقة 3: النحاس، طبقة 4: PI، وطبقة 5: سيليكون أسود في القاع) والانتهاء، مرنة / الالكترونيات لمط (يمين). (ب) رسم توضيحي لعملية خطوة بخطوة تلفيق (عرض مستعرضة). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. خصائص جهاز (مستنسخة بإذن من 10. (A) طريقة العناصر المحدودة (FEM) النتائج (أعلى) والمقابلة النتائج التجريبية (القاع) من بنية كسورية تحت سلالات الشد ذو محورين تصل إلى 30٪ (B) قياس درجة الحرارة باستخدام ستة أجهزة استشعار للمعايرة الجهاز. (C) قياس الموصلية الحرارية باستخدام ثلاثة أجهزة استشعار لمعايرة الجهاز. (D) الحراري بالأشعة تحت الحمراء من الجهاز الذي كان يستخدم سخان الصغير مع المترجمة قانون جول . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. السريرية عملية الاختبار. (A) تطهير الجهاز باستخدام محلول التنظيف.(B) الشطف بالماء لتنظيف السطح لاختبارات سريرية. (C) تقييم الجلد باستخدام المجهر الاتصال الرقمي (يسار) وعرض مكبرة من الجلد (يمين). (D) الحراري بالأشعة تحت الحمراء من الجلد للتقييم الكمي للحرارة الاختلاف. (E) إعداد سريرية لإدارة الجروح في قاعة الامتحان. (F) صورة مكبرة من الأجهزة مغلفة بالقرب من الجرح (ساقه اليمنى) والموقع المقابل (ساقه اليسرى) الأنسجة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الرقم 5
الرقم 5. البيانات التمثيلية للإدارة الكمية من التئام الجروح مع الجهاز (مستنسخة بإذن من المواد المتقدمة الرعاية الصحية 10. (A) صور من الجرح مع الجهاز على مدى شهر. (B) تسجيل لتوزيع درجة الحرارة بالقرب من الجرح لمدة شهر واحد مع ستة أجهزة استشعار في الجهاز (الشكل). (C) تسجيل لتوزيع درجة الحرارة في موقع المقابل كمرجع. (D) تسجيل الموصلية الحرارية بالقرب من الجرح لمدة شهر واحد مع ثلاثة أجهزة الاستشعار في الجهاز (الشكل). (E) تسجيل من الحرارية الموصلية على موقع المقابل كمرجع. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل التمويل بدء التشغيل من كلية الهندسة، جامعة فرجينيا كومنولث وبعض الأجهزة الإلكترونية أعدت في مرافق التصنيع الدقيق في مركز رايت فرجينيا الدقيقة. ونحن نعترف الباحثين الذين قدموا مساهمات للجهاز والبيانات السريرية (أرقام 3 و 5 في هذه الورقة)، تم الحصول عليها من مقالة نشرت 10. W.-HY بفضل يوشياكي هاتوري لحسب الطلب، برنامج تسجيل البيانات.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics