ייצור ואפיון של מערכת אלקטרונית כמו-עור קונפורמי לניהול כמותי, עורית פצע

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

במחקר קליני ומחקר ביו-רפואי, ניטור של ריפוי פצע התמקד בשיטה פולשנית המבוססת על ההערכה היסטולוגית של שינוי מורפולוגי רקמה בפצעי 1,2. לאחרונה, התקדמות מהירה בטכנולוגיות אלקטרוניות תאפשר הפיתוח של כלים הדמיה וניתוח דיוק גבוה שיכול לבדוק חזותי תהליך ריפוי הפצע באמצעות הדמיה דיגיטלית 3,4 או מיקרוסקופ סריקת confocal וספקטרוסקופיה 4,5. עם זאת, גישות הדמיה אלה דורשים עלות גבוהה, כלים אופטיים מסובכים ופעולות, ויותר מכך, חולים צריכים להיות משותקים במהלך בדיקה. לכן, קיים צורך למכשירים ומערכות חדשים, כי הם כמותי, לא פולשנית, קל לשימוש, זולים, ורבים תכליתיים להציע ניהול פצע מדויק יותר.

הנה, אנחנו מציגים מערכת אלקטרונית כמו עור שמספקת מיפוי של condu טמפרטורה ותרמית מדויק, בזמן אמתctivity ומספק רמה מדויקת של חימום באתרי פצע באמצעות למינציה קונפורמי של המכשיר הלא פולשני. מכשיר זה מציג סוג של טכנולוגיה, מערכות רכוב עור אפידרמיס אלקטרוניות שנועדו להתאים לתכונות מכאניות וחומר (עובי כולל, כיפוף קשיחות, moduli היעיל, וצפיפות מסה) של האפידרמיס 6-9.

המכשיר נועד במים, מגינים ביולוגית, ידידותי לעור, וטופס לשימוש חוזר שניתן לכבס וחיטוי ליישומים קליניים בחולים 10. המכשיר האלקטרוני קונפורמי רכוב ליד רקמות הפצע לוכד את שלב הדלקת (אחד של תהליך ריפוי פצע), הנגרם על ידי זרימת דם מוגברת ותגובות אנזימטיות לפצע 11,12, באמצעות הקלטת כמותי של טמפרטורה 8 ומוליכות תרמית 13, בקורלציה ללחות . מחקרי ניסויים וחישובים לקבוע עיצוב מכניקה אופטימלי לaccommodאכלתי תנועות טבעיות ולהחיל זנים ללא שבר מכאני וללכוד את הפיזיקה הבסיסית של מתיחת מכניקה של האלקטרוניקה כמו העור שlaminates conformally על פני העור, המציע רכישה של אותות נאמנות גבוהים.

הפרוטוקולים מתוארים במאמר זה יציגו את השיטות של microfabrication למערכות אלקטרוניות כמו עור, בדיקת הכנה כוללים ניקוי מכשיר, התקנת ציוד בהגדרה קלינית, ויישומים קליניים לניטור כמותי של טמפרטורה ומוליכות תרמית על פצעים עוריים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הניסויים לייצור מכשיר, למינציה עור, ואפיון מוצגים איורים 1, 2, ו -4 מעורבים שני כל מתנדבים, שבוצעו במעבדה NanoEngineering הממשק-ביו באוניברסיטת וירג'יניה חבר (VCU), ריצ'מונד, VA, ארה"ב. מחקר זה אושר על ידי VCU Institutional Review Board (מספר פרוטוקול: HM20001454) ואחרי הנחיות מחקר ממחקר אדם VCU. נתוני המכשיר וקליניים מוצגים איורים 3 ו -5 נרכשו מהמאמר שפורסם 10 שבו הניסויים בחולים נערכו תחת הפרוטוקול (מספר: STU69718) שאושר על ידי דירקטוריון הסקירה המוסדית, אוניברסיטת נורת'ווסטרן, שיקגו, אילינוי, ארה"ב.

ייצור 1. התקן

הערה: איור 2 מציג איורים סכמטי לתהליך הייצור הכולל.

  1. הכן מצע ספק
    1. לחתוך פרוסות חשופות 3 בסיליקון (Si) לגודל הרצוי של האלקטרוניקה באמצעות להב יהלום.
      הערה: כמחצית Si רקיק נותן גודל אידיאלי למכשיר הפצע.
    2. מסיר את שומני Si רקיק עם אצטון ואלכוהול איזופרופיל (IPA). יש לשטוף את הרקיק עם מים ללא יונים (DI) ולאחר מכן יבש עם חנקן ומייבש על פלטה חמה ב 110 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות.
    3. הכן 11 גרם של תערובת polydimethylsiloxane (PDMS) עם 10: 1 יחס נפח של בסיס וסוכן ריפוי ודגת התערובת בתא ואקום במשך שעה.
      הערה: PDMS משמש לאחזור דפוס יבש ולהעביר הדפסה לאחר microfabrication, שעדיף הכימי הרטובה (אצטון), גישה מבוססת מהמחקר הקודם 7.
    4. מעיל ספין 5 גרם של פתרון PDMS מעורב על פרוסות סיליקון בסל"ד 3000 דקות 1 ולרפא באופן מלא על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות.
  2. חומרי הפקדה ואלקטרוניקה דפוס
    1. פנק את PDMS-גרקיק oated עם אולטרה סגול (UV) / אוזון באמצעות מנורת UV (8.9 mW / 2 סנטימטר) במשך 3 דקות כדי להפוך את הידרופילי פני השטח.
      הערה: משטח הידרופילי מציע ציפוי אחיד של שכבות נוספות על PDMS.
    2. polyimide Spincoat (PI; 2 מיליליטר) על PDMS מצופה רקיק, על ידי pipetting, ב 4000 סל"ד דקות 1 כדי ליצור שכבה 1.2 מיקרומטר עבה, מראש לאפות על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות, ושלאחר לאפות ב 250 מעלות צלזיוס במשך שעה 2.
    3. כרום פיקדון (Cr) כדי ליצור שכבה 20 ננומטר-עבה ולאחר מכן להפקיד נחושת (Cu) כדי ליצור שכבה 3 מיקרומטר בעובי באמצעות קרן אלקטרונים (e-קרן) אידוי (לחץ בסיס: ~ 1 × 10 -7 Torr , לחץ בתצהיר: ~ 1 × 10 -6 Torr, שיעור בתצהיר: 1 - 5 / s). צג עובי סרט על ידי ממשק בקר בתצהיר המשובץ במאייד.
      הערה: השכבה העבה של Cu מספקת מספיק רמות של מוליכות חשמליות על הנגדים microscale של המכשיר ושכבה דקה Crמשמש לקידום הידבקות בין PI וCu.
    4. Spincoat photoresist (2 מיליליטר) עם שלושה שלבים ב 900 סל"ד 10 שניות, 1,100 סל"ד 60 שניות, ו4,000 סל"ד במשך 20 שניות ולאחר מכן לרפא אותה על פלטה חמה על 75 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
      הערה: השלבים רציפים המתוארים לעיל שמשו להפקיד photoresist עבה (> 10 מיקרומטר).
    5. יישר דפוסים (חיישנים; עיצוב פרקטל "פיאנו" עם 35 מיקרומטר ברוחב וחיבורים; עיצוב רשת מתפתלת פתוח 50 מיקרומטר ברוחב עם) אלקטרוניים Cu במרכז רקיק Si באמצעות aligner UV (כוח: 10 mW / sec) עם זמן חשיפה של 25.
      הערה: מבני פרקטל משמשים כדי לספק להימתח מכאני מעולה, בהשוואה לתכונות רק מתפתלים 14.
    6. לפתח את photoresist במפתח בסיס מדולל (1: 2 יחס של יזם ומים DI) לרגע, לשטוף עם מים די, ויבש עם חנקן. בדוק את הדפוסים (פרקטלים Cu וחיבורים) באמצעות מיקרוהיקף על מנת לאשר את גודל התכונה ולמצוא את כל פגמים מחלקיקים.
      הערה: אם יש פגמים לא רצויים, ולאחר מכן להסיר photoresist על ידי שטיפה במי אצטון / IPA / DI. לאחר ייבוש עם חנקן, חזור על השלבים מ1.2.4 ל1.2.6.
    7. לחרוט את שכבת Cu על פרוסות סיליקון Si ידי הטבילה בetchant הכימי רטוב ל~ 6 דקות (10 מיליליטר; תערובת של אמוניום persulfate ומים ביחס של 1: 4; לחרוט שיעור של 8 ננומטר / sec ב -40 מעלות צלזיוס), שטיפה עם מים די, ויבשים עם חנקן. בדוק את דפוסי שימוש במיקרוסקופ לכל דפוסים חקוקים מעל.
      הערה: אם הדפוסים חקוקים מעל, זה עלול לגרום לקצוות חדים לא רצויים של התכונות, מה שעלול להוביל לשברים מכאניים במהלך טיפול במכשיר ותהליך הכביסה. תוצאות הבדיקה הראו כי לפני יותר מ ~ 20% על-תחריט של הדפוסים המקוריים גרמו לבעיות הנ"ל.
    8. לחרוט את שכבת Cr עם תחריט יון תגובתי (RIE; לחץ: 300 mTorr, כוח: 200 W, 4 CF גז: 5 שלCCM, O 2 גז: 10 SCCM) במשך 5 דקות. בדוק את הדפוסים.
      הערה: לתחריט של שכבת Cr, תהליך RIE עדיף להרטיב תחריט כימי שגורם לתגובה שלילית עם שכבת Cu.
    9. הסר את photoresist נשאר על שכבות המתכת ידי טבילת הרקיק באצטון (10 מיליליטר), IPA (10 מיליליטר), ומים די (20 מיליליטר), בהתאמה. לאחר מכן, לייבש אותו עם חנקן.
    10. PI Spincoat (2 מיליליטר) על פרוסות סיליקון הופקדה מתכת, על ידי pipetting, ב 4000 סל"ד דקות 1 כדי ליצור שכבה 1.2 מיקרומטר עבה, מראש לאפות על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות, ולאחר לאפות ב C ° 250 לשעה 2.
    11. Spincoat photoresist (2 מיליליטר) עם שלושה שלבים ב 900 סל"ד 10 שניות, 1,100 סל"ד 60 שניות, ו4,000 סל"ד במשך 20 שניות ולאחר מכן לרפא אותה על פלטה חמה על 75 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
    12. יישר דפוסי PI לתמצת האלקטרוניקה Cu (חיישנים; עיצוב פרקטל "פיאנו" עם 35 מיקרומטר ברוחב וחיבורים; עיצוב רשת מתפתלת פתוח עם 250מיקרומטר ברוחב) עם פרקטלים מוגדרים מראש Cu וחיבורים באמצעות aligner UV (כוח: 10 mW / sec) עם זמן חשיפה של 25 שניות.
    13. לפתח את photoresist עם מפתח מדולל (1: 2 יחס של יזם ומים DI) לרגע, לשטוף עם מים די, ויבש עם חנקן. בדוק את דפוסי שימוש במיקרוסקופ כדי לאשר את גודל התכונה ולמצוא את כל פגמים מחלקיקים.
      הערה: אם יש פגמים לא רצויים, ולאחר מכן להסיר photoresist על ידי שטיפה במי אצטון / IPA / DI. לאחר ייבוש עם חנקן, חזור על השלבים מ1.2.10 ל1.2.13.
    14. לחרוט את שכבת PI עם RIE (לחץ: 170 mTorr, כוח: 150 W, O 2 גז: 20 SCCM) במשך 25 דקות. בדוק את הדפוסים.
    15. הסר את photoresist נותר ידי טבילת הרקיק באצטון (10 מיליליטר), IPA (10 מיליליטר), ומים די (20 מיליליטר), בהתאמה. לאחר מכן, לייבש אותו עם חנקן.
  3. הכן קרום אלסטומרי
    1. הכן 10 גרם של תערובת המתמצת סיליקון (1:יחס הנפח של 1 בסיס וסוכן ריפוי) ולהוסיף דיו שחור 15 עם 1-1 יחס נפח, אשר הוא להקל מדידות שליטה של וריאציה טמפרטורה על העור באמצעות מצלמת אינפרא אדום.
      הערה: סיליקון נוצל (גומי encapsulating ברור) מספקת מאפיינים ייחודיים של צמיגות נמוכה, בהירות אופטית, ובידוד חשמלי / הגנה למכשיר 16.
    2. ז 8 Spincoat של התערובת בצלחת פטרי ב 150 סל"ד דקות 1 ליצירת קרום 500 מיקרומטר עבה אלסטומרי ותרופה ב RT עבור O / N.
      הערה: החומר צריך להיות ממוקם על משטח שטוח לעובי אחיד.
    3. חותך את הקרום לגודל הרצוי של 70 מ"מ x 30 מ"מ באמצעות סכין גילוח חד ועדינות לנתק אותו מצלחת פטרי.
  4. אחזר ולהעביר אלקטרוניקה
    1. חותך קלטת מסיסה במים (25 מ"מ x 80 מ"מ) ובעדינות לרקע על הדפוסים האלקטרוניים המפוברקות ומניח אותם על פלטה חמה ב 130 מעלות צלזיוס3 דקות.
      הערה: העלאת טמפרטורה מרחיבה את שכבת PDMS על פרוסות סיליקון Si לעזור ניתוק של הדפוסים האלקטרוניים מפני השטח.
    2. לנתק את הקלטת במהירות מPDMS / הרקיק Si כדי לאחזר את הדפוסים האלקטרוניים.
    3. להפקיד 20 ננומטר עבה Cr (עבור הדבקה) ואחריו דו-חמצני 50 ננומטר עבים סיליקון (SiO 2) על דפוסים תוחזר על ידי אידוי קורה אלקטרוני.
    4. פנק UV / אוזון באמצעות מנורת UV (365 ננומטר, 8.9 mW / 2 סנטימטר) על קרום סיליקון הממוקד עבור 2 דקות כדי להפעיל את פני השטח.
    5. העבר את דפוסי קרום סיליקון על ידי הצבת הדפוסים תוחזר בקלטת למיקום הרצוי ושווה הוספת לחץ מצד העליון של הדפוסים אל המצע. החל מים כדי לפזר את הקלטת במשך 5 דקות.
      הערה: התהליך המתואר של העברת חומרים הוא בהנחייתם של המליטה קוולנטיים (Si-O-Si) בין צורן דו-חמצני שהופקדו ומצע סיליקון-מופעל UV 17
    6. קלפתי את הסרט, לשטוף עם מים די, ויבשים על פלטה חמה על 90 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות.
  5. לתמצת את המכשיר באמצעות קרום סיליקון
    1. הכן 10 גרם של תערובת המתמצת סיליקון (1: 1 יחס נפח של בסיס וסוכן ריפוי).
    2. מכסה את מגע כבל הרפידות עם חתיכה מלבנית PDMS (22 × 6 × 1 מ"מ 3) על ידי המליטה אן דר ואלס עם קרום סיליקון התחתון, כדי להימנע מסיליקון ציפוי הרפידות.
    3. Spincoat גרם 5 של תערובת סיליקון ב 4000 סל"ד 1 דקות כדי ליצור 5 מיקרומטר שכבה עבה על האלקטרוניקה ולאחר מכן הועברה לרפא ב RT עבור O / N.
  6. חבר כבל סרט גמיש לרכישת נתונים
    1. החל שטף נוזל פלדה (0.5 מיליליטר), על ידי pipetting, על רפידות המחבר במשך 3 שניות כדי להפוך את המשטח נקי.
    2. בונד כבל דק וגמיש סרט על נקודות המגע עם לחץ בטמפרטורה גבוהה (> 60 ° C). Straightene שיער אופייניr מציע טיפול קל ומליטה.
      הערה: כבל מיקרו-הסרט עדיף להלחמה קשה-חוט הקונבנציונלי כדי למנוע שבר מכאני של קרומי המתכת הועברו על סיליקון.
    3. בדוק את חיבור החשמל באמצעות מודד דיגיטלי. ערך ההתנגדות צפוי של פחות מ 1 אוהם בין משטח החיישן עם קצה אחד והקצה השני של כבל הסרט (מרחק: ~ 1 סנטימטר זה מזה).
    4. בונד הקצה השני של כבל הסרט למותאם אישית מעגלים מודפסים עם אותה האסטרטגיה שמתוארת בשלב 1.6.2.
    5. בדוק את חיבור החשמל באמצעות מודד דיגיטלי.
    6. חבר את המכשיר עם חומרת רכישת נתונים על ידי הלחמה חוטים קונבנציונליים על PCB.

2. בדיקה קלינית

  1. נקה את המכשיר באמצעות פתרון חיטוי
    1. הכן 205 גרם של פתרון בדילול חומר חיטוי (40: 1 נפח מים ופתרון).
    2. ריסוספתרון (10 גר ') במכשיר ולספוג אותו במשך 10 דקות.
      הערה: שואב החיטוי המדולל ניתן לאחסן ב RT.
    3. לשטוף עם מים שלוש פעמים ולייבש אותו עם רקמות נקיות.
  2. הגדרת סדרה של ציוד לבדיקת מכשיר
    1. להכין ולחבר מגבר נעילה בעם מקור זרם, מרבב, והתוכנה המותאמת אישית מותקנת במחשב נייד להקלטת נתונים.
    2. הנח מצלמת אינפרא אדום על חצובה ולהתמקד באובייקט יעד לתרמוגרפיה כנקודת התייחסות.
    3. פרמטרים של מערכת להגדיר של נעילה ב מגבר למדידת מוליכות תרמית (תדר: 1 הרץ & 3; זמן קבוע: 3 ו -1 שניות; רגישות: 1 mV; מילואים דינמיים: גבוהים מילואים) וטמפרטורה (תדר: 997 הרץ, זמן קבוע: 300 אלפיות שנייה; רגישות: 2 mV; מילואים דינמיים: רעש נמוך) עם (2 mA הזרם הקבוע מיושם).
    4. לחבר את שני מכשירי פצע, שהוכן על ידי הדפסת microfabrication והעברה ורכוב על פצע ואתרים נגדי, לרבב תקין לפני הקלטת נתונים ממטופל.
  3. טמפרטורת שיא ומוליכות תרמית
    הערה: רכישת תוכנת הנתונים מחוייט, שמרוחק יכולה לשלוט על הנעילה במגבר לניטור בזמן אמת נתונים ושמירה. במדידת הטמפרטורה, כל נקודת נתונים נמדדת כל 300 אלפיות שנייה במשך 20 שניות. הקבוצה של נתונים לראשונים 10 שניות והבאות 10 שניות משמשות לחישוב ערך הטמפרטורה הממוצע וסטיית תקן, בהתאמה. אז הנתונים שנרשמו נשמרים כקובץ ערכים מופרדים באמצעות פסיקים, המשמש לעלילת גרף להשוואה עם נתונים מתרמוגרפיה אינפרא אדום. במדידה של מוליכות תרמית, אותות 3Ω נקראים ישירות מהמסך החומרה (מגבר), אשר לאחר מכן הוא מנוצל כדי לחשב את מוליכות תרמית אנליטית.
    1. לשפשף בעדינות את אתרי יישום התקן על העור באמצעות אלכוהול חיטוי מגבוני 10.
    2. 2.3.2) למינט שני מכשירים במקומות העור הרצויים על ידי הלחיצה בעדינות את המכשיר לעור עם אצבעות כדי להקל על המליטה הרכה: אחד באתר פצע הניתוח ואחר על המיקום הנגדי כנקודת התייחסות.
    3. מדוד את המתח החשמלי (3Ω), הקשורים למוליכות תרמית, של המכשיר על ידי הפעלת רכישת נתונים.
    4. להעריך את הנתונים שהתקבלו כדי לוודא מגע קונפורמי של המכשיר על העור; ערך נורמלי (<0.1 W / ח"כ) מראה קשר רע של המכשיר.
    5. מדוד את ההתנגדות החשמלית כדי לקבוע חלוקת טמפרטורה ונתונים שיא באמצעות התוכנה המותאמת אישית.
    6. קח תמונות אופטיות וIR של שני מכשירים על העור.
    7. שקלו את ערכי טמפרטורה מתמונות IR עם הנתונים שנרשמו ממכשיר הפצע (2.3.5). מוסיף שני הערכים להפריד עמודות בגיליון אלקטרוני מותאם אישית.
  4. לנתח את הנתונים שנרשמו
    1. לייצא את הנתונים שנרשמו לאישית תבנית לחשב באופן אוטומטי טמפרטורה ומוליכות תרמית ממערך של חיישנים במכשיר.
    2. העלילה נתונים (טמפרטורה ומוליכות תרמית לפי מיקום החיישן בקנה מידת זמן שונה) להשוואה במהלך חודש אחד (ארבעה סטים של נתונים ביום 1, 3, 15, ו -30).
    3. לנתח את הנתונים על ידי השוואת סדרה של טמפרטורה ונתונים מוליכות תרמית לפי זמן; ערכים עם העלאה פתאומית או ירידה לספר השינוי של שלב ריפוי פצע ו / או חריגות בלתי צפויות באתרי פצע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מציג סקירה של המאפיינים של קונפורמי, המערכת האלקטרונית כמו העור, מיועדים לכמותיים, ניהול פצע עורית על חולים. המכשיר האלקטרוני רב תכליתי מורכב ממבני פרקטל microscale 3,14 ומתפתל filamentary עקבות 9,17 על קרום דק אלסטומרי שמציע להימתח מכאני יוצא דופן וbendability. המכשיר תואם שמוקף לחלוטין על ידי שכבות סיליקון מאפשר למינציה העדינה, הפיכה בעור דרך אינטראקציות ואן דר ואלס לבד. המאפיינים הייחודיים של המכשיר כוללים התאמה ביולוגית, waterproofness, קלות שימוש, וגמישות מכאנית לשימוש בהגדרות קליניות מציאותיות.

השילוב של חומרים היברידיים כגון פולימרים ומתכת (סיליקון, polyimide, ונחושת) מניב מכשיר חשמלי בטוח, עמיד למים, וביולוגי (איור 2 א).מערך של פרקטל (נחושת; Cu) נגדי (35 מיקרומטר ברוחב ו -3 מיקרומטר עובי) ממוקם במישור המכני הניטרלי, על ידי polyimide הסגור (PI, 1.2 מיקרומטר בעובי) שכבות, כדי למזער מיושמים זני כיפוף על הליבה חומר (Cu) ביישומים קליניים.

העובי הכולל של המכשיר על קרום סיליקון הוא רק ~ 600 מיקרומטר ידי הצעת bendability הקיצוני. האיורים סכמטי באיור 2 מתארים את תהליך microfabrication של המערכת האלקטרונית כמו העור. שיטת הייצור משלבת טכניקות קונבנציונליות microfabrication (metallization, photolithography, ותחריט) עם הטכניקות החדשות שפותחו העברת ההדפסה (אחזור, העברה, ומליטה) 9,14,18,19. סוג זה של מכשיר וניתן לשנות על ידי שימוש בהדפסת העברה בקנה מידה גדולה עם ציוד הדפסה אוטומטי 20,21.

איור 3 מסכם את mechanicaלהימתח l ופונקציונליות חשמליים של האלקטרוניקה כמו עור, דיווחו בעבודה לפני 10. מכניקה וחומרי הלימוד בשיטת האלמנטים הסופי (FEM) מציע עיצוב המערכת האופטימלי כדי להתאים תנועות טבעיות ולהחיל זנים, מעורבים בשימוש הקליני, ללא שבר מכאני (איור 3 א, למעלה). המחקר הניסיוני שמציג התנהגות מכאנית של המבנה פרקטלית עם זנים עד 30% (איור 3Aa, למטה) מתיחה מראה הסכם טוב עם תוצאות FEM. המכשיר עם הנגדים microscale משמש למדידת כמותית של טמפרטורה ומוליכות תרמית ומספק חימום מקומי מדויק, (3B דמויות - 3D). עקומת הכיול של התנגדות חשמלית על פי שינוי הטמפרטורה הושגה באמצעות מצלמת אינפרא אדום וצלחת רגישות גבוהה חמה (איור 3). שיטת ההערכה של מוליכות תרמית נמדדו הייתהמותאם מטכניקת 3 האומגה 13 שמשתמשת 3 אותות מתח אומגה בשני תדרים שונים לסירוגין הנוכחיים (3C איור). זרם חשמלי יישומית (mA 35 עם 10 mW) לנגדי פרקטל מתרחש חימום ג 'אול, אשר מציע להפעלה ללא טמפרטורה לשליטה במצב טיפולי (איור 3D).

עבור יישומים מעשיים, קליניים, תהליך הניקוי הציע של מכשיר כף היד כרוך חיטוי לפני השימוש בחולים. ריסוס של תמיסת חיטוי במכשיר עמיד למים ובאי שטיפה במים שלוש פעמים מכין את המכשיר לבדיקה קלינית (איורים 4 א ו -4 ב). ההערכה של התאמה ביולוגית איכותית של המכשיר מנצלת מיקרוסקופ קשר דיגיטלי לבדוק את פני השטח העור (איור 4C), אשר חוקר את השינוי של צבע העור והמרקם פני מחזורים רבים של שימוש בחולים מבחינה ויזואלית. Thermograp אינפרא אדום (IR)HY יכול לעשות הערכה כמותית של מחלות העור כשבועיים (איור 4D) מאז תופעות הלוואי כגון אודם גורם העלאת טמפרטורת 22. המכשירים שנבדקו הם למינציה ליד רקמות הפצע והמיקום הנגדי (כהפניה). הקלטה של פרמטרים רלוונטיים של טמפרטורה ומוליכות תרמית מתבצעת באמצעות מערכת רכישת נתונים והדמיה IR בחדר בחינה (4E דמויות ו4F).

איור 5 מציג נתונים נציג של מדידת כמותית של ריפוי פצע עורית בחולה ממחקר לפני 10. סדרה של תמונות באיור 5 א 'מציגה את תהליך הניטור של ריפוי פצע עם המכשיר רכוב העור במהלך חודש אחד. מכשיר הפצע צבוע עם דיו שחור למינציה ליד פצע הניתוח. עט מסמן על העור מודרך ההרכבה של המכשיר באותו המיקום לDAT כמותיים השוואה מיום 1 ליום 30. מדידת הטמפרטורה ווריאצית מוליכות תרמית באמצעות מערך של חיישנים במכשיר והשוואה בין אתרי פצע והתייחסות לוכדת את שלב ריפוי הפצע, דלקת (איורים 5 - 5E). , שישה החיישנים הרגישים מאוד במכשיר הפצע הצליחו ללכוד שינוי מינימאלי של טמפרטורת הגוף ודלקת אינטנסיבית נקודה ביום 3 (5 דמויות - 5C) ושיא וריאציה של מוליכות תרמית (5D דמויות - 5E). קבוצה של נתונים התייחסות נמדדה מהצד הנגדי כביקורת.

איור 1
איור 1. סקירה כללית של מאפיינים של, מכשיר ניטור פצע כמו עור-על מטופל.> אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
ייצור איור 2. התקן () איור סכמטי של פריסות המכשיר (משמאל; שכבת 1:. סיליקון השקוף בחלק העליון, שכבה 2: PI, שכבת 3: Cu, שכבה 4: PI, ושכבה 5: סיליקון השחור ב תחתון) והשלים, גמישה / אלקטרוניקה המתיחה (מימין). (איור ב) לתהליך ייצור צעד-אחר-צעד (תצוגת חתך). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
3. מאפייני התקן איור (לשכפל באישור מ 10. (שיטת אלמנטים סופית (FEM) תוצאות (למעלה)) ואת התוצאות המתאימות הניסיוניות (התחתונה) של מבנה פרקטל תחת זנים מתיחים uniaxial עד מדידה של 30%. (ב) מדידת הטמפרטורה באמצעות שישה חיישנים לכיול מכשיר. (ג) של מוליכות תרמית באמצעות שלושה חיישנים לכיול מכשיר. תרמוגרפיה אינפרא אדום של המכשיר ששימש כמייקרו-דוד עם חימום ג 'אול מקומי (D) . אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. תהליך בדיקה קליני. חיטוי (א) למכשיר באמצעות פתרון ניקוי.(ב) שטיפה במים כדי לנקות את המשטח לבדיקה קלינית. הערכת עור (C) באמצעות מיקרוסקופ קשר דיגיטלי (משמאל) ותצוגה מוגדלת של העור (מימין). תרמוגרפיה אינפרא אדום של העור להערכה כמותית של טמפרטורה (ד) וריאציה. תמונה מוגדלת של מכשירי למינציה ליד הפצע (רגל ימין) ואתר נגדי (רגל שמאל) רקמות (ה) הגדרה קלינית לניהול פצע בחדר בחינה. (F). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של זה דמות.

איור 5
איור 5. נציגי נתונים של ניהול כמותי של ריפוי פצע עם המכשיר (לשכפל באישור מחומרים מתקדמים בריאות 10. () תמונות של הפצע עם המכשיר במהלך חודש. (הקלטת B) של התפלגות טמפרטורה ליד הפצע למשך חודש אחד עם שישה חיישנים ב המכשיר (הבלעה). הקלטה (C) של התפלגות טמפרטורה במיקום נגדי כנקודת התייחסות. הקלטה (D) של מוליכות תרמית ליד הפצע למשך חודש אחד עם שלושה חיישנים במכשיר (הבלעה). הקלטה (ה) של תרמית מוליכות על מיקום נגדי כנקודת התייחסות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מימון ההפעלה מבית הספר להנדסה, אוניברסיטת וירג'יניה וחלק ממכשירים אלקטרוניים הוכנו במתקני microfabrication במיקרואלקטרוניקה וירג'יניה מרכז רייט. אנו מכירים חוקרים שתרמו תרומה למכשיר ונתונים קליניים (איורים 3 ו -5 במאמר זה), שנרכש מהמאמר שפורסם 10. תודה וו-HY יושיאקי האטורי ל, תוכנת הקלטת נתונים המותאמת אישית.

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