मात्रात्मक, cutaneous घाव प्रबंधन के लिए एक conformal त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली के निर्माण और विशेषता

Bioengineering

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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).

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Abstract

Introduction

नैदानिक ​​अध्ययन और जैव चिकित्सा अनुसंधान में, घाव भरने की निगरानी घाव 1,2 में ऊतक शब्द के भागों परिवर्तन के histological मूल्यांकन पर आधारित है कि एक आक्रामक विधि पर ध्यान केंद्रित किया है। हाल ही में, इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में तेजी से प्रगति नेत्रहीन डिजिटल इमेजिंग 3,4 या confocal माइक्रोस्कोपी स्कैनिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी 4,5 के माध्यम से प्रक्रिया घाव भरने का निरीक्षण कर सकते हैं कि उच्च परिशुद्धता इमेजिंग और विश्लेषण उपकरणों के विकास को सक्षम। हालांकि, उन इमेजिंग दृष्टिकोण उच्च लागत, जटिल ऑप्टिकल उपकरण और कार्रवाई की आवश्यकता होती है, और अधिक महत्वपूर्ण बात, रोगियों के परीक्षण के दौरान स्थिर होने की जरूरत है। इसलिए, और अधिक सटीक घाव प्रबंधन की पेशकश करने के लिए, आसान करने के लिए उपयोग करते हैं, गैर इनवेसिव, मात्रात्मक सस्ती, और multifunctional हैं कि नए उपकरणों और प्रणालियों के लिए एक की जरूरत मौजूद है।

यहाँ, हम तापमान और थर्मल condu की सटीक, वास्तविक समय मानचित्रण प्रदान करता है कि एक त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली शुरूctivity और गैर invasively डिवाइस के conformal फाड़ना के माध्यम से घाव स्थलों पर हीटिंग का एक सटीक स्तर बचाता है। इस डिवाइस एपिडर्मिस 6-9 की प्रौद्योगिकी, यांत्रिक और भौतिक गुणों के कारण मैच के लिए तैयार कर रहे हैं कि त्वचा पर चढ़कर एपिडर्मल इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों (कठोरता झुकने, कुल मोटाई, प्रभावी moduli, और जन घनत्व) के एक वर्ग को प्रस्तुत करता है।

डिवाइस एक biocompatible, त्वचा के अनुकूल है, पानी के सबूत में बनाया गया है, और धोया और मरीजों 10 पर नैदानिक ​​अनुप्रयोगों के लिए कीटाणुरहित किया जा सकता है कि पुन: प्रयोज्य रूप है। घाव ऊतकों के पास रखा conformal इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस हाइड्रेशन के लिए सहसंबद्ध तापमान 8 और तापीय चालकता 13 की मात्रात्मक रिकॉर्डिंग, के माध्यम से, घाव 11,12 करने के लिए बढ़ रक्त प्रवाह और एंजाइमी प्रतिक्रियाओं की वजह से सूजन चरण (घाव भरने की प्रक्रिया में से एक), कब्जा । प्रायोगिक और कम्प्यूटेशनल अध्ययनों accommod के लिए एक इष्टतम यांत्रिकी डिजाइन का निर्धारणप्राकृतिक गतियों खाया और यांत्रिक फ्रैक्चर के बिना उपभेदों आवेदन किया है और उच्च निष्ठा संकेतों के अधिग्रहण प्रदान करता है, जो त्वचा की सतह पर conformally laminates कि त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक्स के यांत्रिकी खींच के अंतर्निहित भौतिक विज्ञान पर कब्जा।

इस आलेख में वर्णित प्रोटोकॉल डिवाइस सफाई, एक नैदानिक ​​सेटिंग में उपकरणों की स्थापना, और त्वचा संबंधी घाव पर तापमान और तापीय चालकता के मात्रात्मक निगरानी के लिए नैदानिक ​​अनुप्रयोगों सहित तैयारी का परीक्षण, त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के लिए microfabrication के तरीकों प्रस्तुत करते हैं।

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Protocol

उपकरण निर्माण, त्वचा फाड़ना, और लक्षण वर्णन के लिए प्रयोगों आंकड़े 1, 2 में दिखाया गया है, और 4 वर्जीनिया कॉमनवेल्थ यूनिवर्सिटी (VCU), रिकमंड, VA, संयुक्त राज्य अमरीका में बायो-interfaced Nanoengineering प्रयोगशाला में प्रदर्शन दो स्वयंसेवकों, सभी शामिल किया गया। इस अध्ययन VCU संस्थागत समीक्षा बोर्ड द्वारा अनुमोदित किया गया था (प्रोटोकॉल संख्या: HM20001454) और VCU मानव अनुसंधान से अनुसंधान के दिशा-निर्देशों का पालन किया। संस्थागत समीक्षा बोर्ड, नॉर्थवेस्टर्न विश्वविद्यालय, शिकागो, आईएल, संयुक्त राज्य अमेरिका द्वारा अनुमोदित: (STU69718 संख्या) आंकड़े 3 और 5 में दिखाया गया है युक्ति और नैदानिक ​​डेटा रोगियों पर प्रयोग प्रोटोकॉल के तहत आयोजित किया गया, जहां से प्रकाशित लेख में 10 से हासिल किया गया।

1. उपकरण निर्माण

नोट: चित्रा 2 समग्र निर्माण की प्रक्रिया के लिए योजनाबद्ध चित्र प्रस्तुत करता है।

  1. एक वाहक सब्सट्रेट तैयार
    1. एक हीरा ब्लेड का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक्स के वांछित आकार में एक नंगे 3 सिलिकॉन में (सी) वेफर कट।
      नोट: के बारे में आधे सी वफ़र घाव डिवाइस के लिए एक आदर्श आकार देता है।
    2. एसीटोन और isopropyl शराब (आईपीए) के साथ सी वफ़र degrease। विआयनीकृत (डीआई) पानी के साथ वेफर कुल्ला और नाइट्रोजन के साथ तो सूखी और 3 मिनट के लिए 110 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर निर्जलीकरण।
    3. 10 के साथ polydimethylsiloxane (PDMS) मिश्रण की 11 ग्राम तैयार: 1 मात्रा के आधार के अनुपात और इलाज एजेंट और एक घंटे के लिए एक निर्वात चैम्बर में मिश्रण देगास।
      नोट: PDMS एक सूखी पैटर्न पुनः प्राप्ति के लिए प्रयोग किया जाता है और गीला रासायनिक (एसीटोन) पिछले अध्ययन 7 से आधारित दृष्टिकोण के लिए बेहतर है जो microfabrication, के बाद मुद्रण हस्तांतरण है।
    4. स्पिन कोट 5 1 मिनट के लिए 3000 rpm पर वेफर पर मिश्रित PDMS समाधान की जी और पूरी तरह से 30 मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर इलाज।
  2. जमा सामग्री और पैटर्न इलेक्ट्रॉनिक्स
    1. PDMS-सी का इलाजपराबैंगनी (यूवी) के साथ oated वेफर सतह हाइड्रोफिलिक बनाने के लिए 3 मिनट के लिए एक यूवी दीपक (8.9 मेगावाट / 2 सेमी) का उपयोग करके / ओजोन।
      नोट: हाइड्रोफिलिक सतह PDMS पर अतिरिक्त परतों के समान कोटिंग प्रदान करता है।
    2. Spincoat polyimide (पीआई, 2 एमएल) के 5 मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर एक 1.2 माइक्रोन मोटी परत, पूर्व सेंकना फार्म के लिए 1 मिनट के लिए 4,000 rpm पर, pipetting द्वारा, मे लेपित PDMS, और बाद पर 2 घंटे के लिए 250 डिग्री सेल्सियस पर सेंकना।
    3. जमा क्रोमियम (सीआर) एक 20 एनएम मोटी परत फार्म और फिर इलेक्ट्रॉन बीम (ई-बीम) वाष्पीकरण का उपयोग करके एक 3 माइक्रोन मोटी परत के रूप में तांबा (कॉपर) जमा करने के लिए (आधार दबाव: ~ 1 × 10 -7 Torr बयान दबाव: ~ 1 × 10 -6 Torr, जमा दर: 1 - 5 ए / एस)। बाष्पीकरण में एम्बेडेड बयान नियंत्रक इंटरफ़ेस द्वारा फिल्म मोटाई की निगरानी करें।
      नोट: घन की मोटी परत डिवाइस और पतली सीआर परत की microscale प्रतिरोधों पर विद्युत चालकता के लिए पर्याप्त स्तर प्रदान करता हैपीआई और घन के बीच आसंजन को बढ़ावा देने के लिए किया जाता है।
    4. 10 सेकंड के लिए 900 rpm पर तीन चरणों, 60 सेकंड के लिए 1,100 आरपीएम, और 20 सेकंड के लिए 4,000 आरपीएम के साथ एक photoresist (2 मिलीलीटर) Spincoat और फिर 30 मिनट के लिए 75 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर इसे इलाज।
      नोट: ऊपर वर्णित अनुक्रमिक चरणों एक मोटी (> 10 माइक्रोन) photoresist जमा करने के लिए इस्तेमाल किया गया।
    5. घन इलेक्ट्रॉनिक पैटर्न (सेंसर, भग्न 'Peano' डिजाइन चौड़ाई और परस्पर में 35 माइक्रोन के साथ; टेढ़ा खुला जाल डिजाइन चौड़ाई में 50 माइक्रोन) के साथ संरेखित सी वफ़र के केंद्र में एक यूवी एलाइनर का उपयोग करके (बिजली: 10 मेगावाट / सेकंड) जोखिम समय 25 एस के साथ।
      नोट: भग्न संरचनाओं केवल meandering सुविधाओं 14 की तुलना में बेहतर यांत्रिक खिंचाव प्रदान करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं।
    6. एक मिनट के लिए: (डेवलपर और डि पानी के 2 अनुपात 1) डि पानी से कुल्ला, और नाइट्रोजन के साथ सूखी एक पतला आधार डेवलपर में photoresist का विकास करना। एक माइक्रो का उपयोग पैटर्न (घन भग्न और परस्पर) का निरीक्षण कियागुंजाइश सुविधा आकार की पुष्टि करें और विविक्त से किसी भी दोष खोजने के लिए।
      नोट: किसी भी अवांछित दोष हैं, तो फिर एसीटोन / आईपीए / डि पानी के साथ rinsing द्वारा photoresist को हटा दें। नाइट्रोजन के साथ सूखने के बाद, 1.2.4 से 1.2.6 के लिए चरणों को दोहराएँ।
    7. ~ 6 मिनट के लिए एक गीला रासायनिक एचेंट में डुबो कर सी वफ़र पर घन परत खोदना (10 मिलीलीटर, 1 के अनुपात में अमोनियम persulfate और पानी का मिश्रण: 4; 40 डिग्री सेल्सियस में 8 एनएम / सेकंड की दर से खोदना), कुल्ला डि पानी, और नाइट्रोजन के साथ सूखे के साथ। किसी भी अधिक etched पैटर्न के लिए एक माइक्रोस्कोप का उपयोग पैटर्न का निरीक्षण किया।
      नोट: पैटर्न पर-etched रहे हैं, यह डिवाइस हैंडलिंग और कपड़े धोने की प्रक्रिया के दौरान यांत्रिक फ्रैक्चर के लिए ले जा सकता है, जो सुविधाओं के अवांछित तेज किनारों का कारण बन सकता है। पहले परीक्षण के परिणामों पर नक़्क़ाशी मूल पैटर्न के अधिक 20 ~% से ऊपर उल्लिखित मुद्दों के कारण होता है कि पता चला है।
    8. 300 mTorr, पावर: 200 डब्ल्यू, सीएफ 4 गैस: 5 एस दबाव; प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आर.आई.ई. साथ सीआर परत खोदनासीसीएम, हे 2 गैस: 10 SCCM) 5 मिनट के लिए। पैटर्न का निरीक्षण किया।
      नोट: सीआर परत की एचिंग के लिए, री प्रक्रिया घन परत के साथ प्रतिकूल प्रतिक्रिया का कारण बनता है कि रासायनिक नक़्क़ाशी गीला करने के लिए बेहतर है।
    9. क्रमशः, एसीटोन में वेफर (10 एमएल), आईपीए (10 मिलीग्राम), और डि पानी (20 एमएल) डुबो कर धातु परतों पर बने photoresist निकालें। फिर, नाइट्रोजन के साथ सूखी।
    10. Spincoat पीआई pipetting द्वारा धातु जमा वेफर पर (2 मिलीलीटर), 4000 rpm पर 1 मिनट के लिए 5 मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर एक 1.2 माइक्रोन मोटी परत, पूर्व सेंकना फार्म, और बाद सेंकना पर करने के लिए 2 घंटे के लिए 250 डिग्री सेल्सियस।
    11. 10 सेकंड के लिए 900 rpm पर तीन चरणों, 60 सेकंड के लिए 1,100 आरपीएम, और 20 सेकंड के लिए 4,000 आरपीएम के साथ एक photoresist (2 मिलीलीटर) Spincoat और फिर 30 मिनट के लिए 75 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर इसे इलाज।
    12. घन इलेक्ट्रॉनिक्स encapsulate करने के लिए पीआई पैटर्न संरेखित (सेंसर, चौड़ाई और परस्पर में 35 माइक्रोन से भग्न 'Peano' डिजाइन, 250 के साथ टेढ़ा खुला जाल डिजाइनजोखिम समय 25 सेकंड के साथ 10 मेगावाट / सेकंड): एक यूवी एलाइनर (शक्ति का उपयोग करके पूर्व निर्धारित घन भग्न और परस्पर साथ चौड़ाई में माइक्रोन)।
    13. एक मिनट के लिए: (डेवलपर और डि पानी के 2 अनुपात 1) डि पानी से कुल्ला, और नाइट्रोजन के साथ सूखी एक पतला डेवलपर के साथ photoresist का विकास करना। सुविधा आकार की पुष्टि करें और विविक्त से किसी भी दोष खोजने के लिए एक माइक्रोस्कोप का उपयोग पैटर्न का निरीक्षण किया।
      नोट: किसी भी अवांछित दोष हैं, तो फिर एसीटोन / आईपीए / डि पानी के साथ rinsing द्वारा photoresist को हटा दें। नाइट्रोजन के साथ सूखने के बाद, 1.2.10 से 1.2.13 तक चरणों को दोहराएँ।
    14. 25 मिनट के लिए आर.आई.ई. (20 SCCM: 170 mTorr, पावर: 150 डब्ल्यू, हे 2 गैस के दबाव) के साथ पीआई परत खोदना। पैटर्न का निरीक्षण किया।
    15. क्रमशः, एसीटोन में वेफर (10 एमएल), आईपीए (10 मिलीग्राम), और डि पानी (20 एमएल) डुबो कर बनी photoresist निकालें। फिर, नाइट्रोजन के साथ सूखी।
  3. एक elastomeric झिल्ली तैयार
    1. सिलिकॉन मिश्रण (1 encapsulating की 10 ग्राम तैयार:1 मात्रा का आधार है और इलाज के एजेंट के अनुपात) और एक अवरक्त कैमरे का उपयोग त्वचा पर तापमान परिवर्तन के नियंत्रण माप की सुविधा के लिए है, जो 1-1 मात्रा के अनुपात के साथ एक काले रंग की स्याही से 15 जोड़ें।
      नोट: उपयोग किया सिलिकॉन (स्पष्ट encapsulating रबर) डिवाइस से 16 कम चिपचिपापन, ऑप्टिकल स्पष्टता, और बिजली के अलगाव / संरक्षण की अनूठी विशेषताओं प्रदान करता है।
    2. 1 मिनट के लिए 150 rpm पर एक पेट्री डिश में मिश्रण के Spincoat जी 8 / ओ एन आरटी पर एक 500 माइक्रोन मोटी elastomeric झिल्ली और इलाज के रूप में।
      नोट: सामग्री समान मोटाई के लिए एक फ्लैट सतह पर रखा जाना चाहिए।
    3. एक तेज धार का उपयोग करके x 30 मिमी 70 मिमी के वांछित आकार में झिल्ली कट और धीरे पेट्री डिश से यह अलग है।
  4. निकालते हैं और इलेक्ट्रॉनिक्स का स्थानांतरण
    1. एक पानी में घुलनशील टेप (25 मिमी x 80 मिमी) में कटौती और गढ़े इलेक्ट्रॉनिक पैटर्न पर टुकड़े टुकड़े धीरे और 130 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर उन्हें जगह3 मिनट के लिए।
      नोट: तापमान ऊंचाई सतह से इलेक्ट्रॉनिक पैटर्न की हदबंदी में मदद करने के लिए सी वफ़र पर PDMS परत का विस्तार।
    2. इलेक्ट्रॉनिक पैटर्न को पुनः प्राप्त करने के लिए PDMS / सी वफ़र से तेजी से टेप को अलग करें।
    3. जमा एक 20 एनएम ई बीम वाष्पीकरण के द्वारा प्राप्त पैटर्न पर एक 50 एनएम मोटी सिलिकॉन डाइऑक्साइड (2 Sio) द्वारा पीछा सीआर (आसंजन के लिए) मोटी।
    4. सतह सक्रिय करने के लिए 2 मिनट के लिए लक्षित सिलिकॉन झिल्ली पर यूवी लैंप (365 एनएम, 8.9 मेगावाट / 2 सेमी) का उपयोग करके यूवी / ओजोन समझो।
    5. इच्छित स्थान पर टेप पर लिया गया पैटर्न रखने और समान रूप से सब्सट्रेट करने के लिए नीचे पैटर्न के शीर्ष की ओर से दबाव जोड़कर सिलिकॉन झिल्ली के लिए पैटर्न स्थानांतरण। 5 मिनट के लिए टेप को भंग करने के लिए पानी को लागू करें।
      नोट: सामग्री के हस्तांतरण की वर्णित प्रक्रिया सहसंयोजक संबंध (सी-ओ-सी) से मदद की है जमा सिलिकॉन डाइऑक्साइड और यूवी सक्रिय सिलिकॉन सब्सट्रेट के बीच 17
    6. पील टेप बंद, 1 मिनट के लिए 90 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर डि पानी, और सूखे से कुल्ला।
  5. एक सिलिकॉन झिल्ली का उपयोग कर डिवाइस encapsulate
    1. (: आधार के एक मात्रा के अनुपात और इलाज एजेंट 1) सिलिकॉन मिश्रण encapsulating की 10 ग्राम तैयार करें।
    2. पैड कोटिंग सिलिकॉन से बचने के लिए नीचे सिलिकॉन झिल्ली के साथ वान डर वाल्स संबंध, द्वारा एक आयताकार PDMS टुकड़ा (22 × 6 × 1 मिमी 3) के साथ केबल संपर्क पैड कवर।
    3. 4,000 आरपीएम पर सिलिकॉन मिश्रण के 5 ग्राम Spincoat 1 मिनट का तबादला इलेक्ट्रॉनिक्स पर एक 5 माइक्रोन मोटी परत के रूप में करने के लिए और फिर / ओ के लिए आरटी पर एन इलाज।
  6. डाटा अधिग्रहण के लिए एक लचीला रिबन केबल कनेक्ट
    1. साफ सतह बनाने के लिए 3 सेकंड के लिए कनेक्टर पैड पर, pipetting द्वारा तरल इस्पात प्रवाह (0.5 मिलीलीटर), लागू करें।
    2. उच्च तापमान पर दबाव के साथ संपर्क अंक पर एक पतली, लचीली रिबन केबल बॉन्ड (> 60 डिग्री सेल्सियस)। एक ठेठ बाल straighteneआर आसान हैंडलिंग और संबंधों प्रदान करता है।
      नोट: सूक्ष्म फिल्म केबल एक सिलिकॉन पर स्थानांतरित धातु झिल्ली के किसी भी यांत्रिक फ्रैक्चर से बचने के लिए पारंपरिक हार्ड-तार टांका लगाने के लिए बेहतर है।
    3. एक डिजिटल मल्टीमीटर प्रयोग बिजली के कनेक्शन की जाँच करें। (: ~ 1 सेमी अलग दूरी) प्रतिरोध मूल्य एक अंत के साथ सेंसर पैड और फिल्म केबल के दूसरे सिरे के बीच कम से कम 1 ओम की उम्मीद है।
    4. कदम 1.6.2 में वर्णित एक ही रणनीति के साथ एक स्वनिर्धारित प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के लिए रिबन केबल के दूसरे सिरे बांड।
    5. एक डिजिटल मल्टीमीटर प्रयोग बिजली के कनेक्शन की जाँच करें।
    6. पीसीबी पर पारंपरिक तारों टांका द्वारा डाटा अधिग्रहण हार्डवेयर के साथ डिवाइस से कनेक्ट करें।

2. नैदानिक ​​परीक्षण

  1. एक निस्संक्रामक समाधान का उपयोग कर डिवाइस साफ
    1. (: पानी और समाधान के 1 मात्रा अनुपात 40) एक पतला निस्संक्रामक समाधान के 205 ग्राम के लिए तैयार करें।
    2. फुहारडिवाइस पर समाधान (10 ग्राम) और 10 मिनट के लिए भिगो दें।
      नोट: पतला कीटाणुनाशक क्लीनर आरटी पर संग्रहित किया जा सकता है।
    3. पानी के साथ तीन बार कुल्ला और स्वच्छ ऊतकों के साथ सूखी।
  2. डिवाइस के परीक्षण के लिए उपकरणों की एक श्रृंखला की स्थापना
    1. तैयार है और एक वर्तमान स्रोत, एक बहुसंकेतक, और डेटा रिकॉर्डिंग के लिए एक लैपटॉप कंप्यूटर पर स्थापित कस्टम सॉफ्टवेयर के साथ एक लॉक-इन एम्पलीफायर कनेक्ट।
    2. एक तिपाई पर एक अवरक्त कैमरा प्लेस और एक संदर्भ के रूप में thermography के लिए एक लक्ष्य वस्तु पर ध्यान केंद्रित।
    3. लॉक-इन एम्पलीफायर का सेट अप प्रणाली मानकों तापीय चालकता को मापने के लिए (आवृत्ति: 1 और 3 हर्ट्ज; निरंतर समय: 3 और 1 सेकंड; संवेदनशीलता: 1 एम वी, गतिशील आरक्षित: उच्च आरक्षित) और तापमान (आवृत्ति: 997 हर्ट्ज; समय निरंतर: 300 मिसे, संवेदनशीलता: 2 एम वी, गतिशील आरक्षित: कम शोर) लागू निरंतर वर्तमान (2 मा के साथ)।
    4. Microfabrication और अंतरण मुद्रण द्वारा तैयार की और घाव पर मुहिम शुरू की, दो घाव उपकरणों को जोड़ने औरसही एक मरीज से डेटा रिकॉर्डिंग से पहले बहुसंकेतक contralateral साइटों।
  3. रिकार्ड तापमान और थर्मल चालकता
    नोट: डाटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर दूरदराज के लॉक-इन वास्तविक समय डाटा की निगरानी और बचत के लिए एम्पलीफायर नियंत्रित कर सकते हैं, जो कस्टम बनाया गया है। तापमान माप में, प्रत्येक डेटा बिंदु 20 सेकंड के लिए हर 300 मिसे मापा जाता है। पहली बार 10 सेकंड और अगले 10 सेकंड के लिए डेटा के सेट क्रमश: औसत तापमान मूल्य और मानक विचलन की गणना करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। दर्ज आंकड़ों तो इन्फ्रारेड Thermography से डेटा के साथ तुलना के लिए एक ग्राफ साजिश करने के लिए प्रयोग किया जाता है जो एक अल्पविराम से अलग मूल्य फ़ाइल के रूप में सहेज कर रहे हैं। थर्मल चालकता की माप में, 3Ω संकेतों सीधे तो विश्लेषणात्मक थर्मल चालकता गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है जो हार्डवेयर स्क्रीन (एम्पलीफायर), से पढ़ रहे हैं।
    1. धीरे एंटीसेप्टिक शराब का उपयोग कर त्वचा पर डिवाइस आवेदन साइटों 10 पोंछे रगड़ें।
    2. 2.3.2) धीरे नरम संबंध की सुविधा के लिए उंगलियों के साथ त्वचा के लिए इस उपकरण का उपयोग करके वांछित त्वचा स्थानों पर दो उपकरणों के टुकड़े टुकड़े: शल्य घाव साइट पर एक और एक संदर्भ के रूप में contralateral स्थान पर अन्य।
    3. डाटा अधिग्रहण शुरू करने से डिवाइस की तापीय चालकता से संबंधित बिजली के वोल्टेज (3Ω), उपाय।
    4. त्वचा के लिए डिवाइस के conformal संपर्क सत्यापित करने के लिए प्राप्त आंकड़ों का मूल्यांकन; असामान्य मूल्य (<0.1 डब्ल्यू / एम) डिवाइस का बुरा संपर्क से पता चलता है।
    5. कस्टम सॉफ्टवेयर के माध्यम से तापमान वितरण और रिकॉर्ड डेटा निर्धारित करने के लिए बिजली के प्रतिरोध को मापने।
    6. त्वचा पर दो उपकरणों के ऑप्टिकल और आईआर छवियों ले लो।
    7. घाव डिवाइस (2.3.5) से दर्ज आंकड़ों के साथ आईआर छवियों से तापमान मूल्यों की तुलना करें। एक स्वनिर्धारित स्प्रेडशीट में स्तंभों को अलग करने के लिए दोनों मूल्यों जोड़ें।
  4. दर्ज आंकड़ों का विश्लेषण करें
    1. को दर्ज आंकड़ों में निर्यात करेंस्वचालित रूप से उपकरण में सेंसर की एक सरणी से तापमान और थर्मल चालकता की गणना करने के लिए टेम्पलेट अनुकूलित।
    2. एक महीने के पाठ्यक्रम पर तुलना करने के लिए डेटा (तापमान और एक अलग समय के पैमाने पर सेंसर स्थान के अनुसार थर्मल चालकता) (चार दिन 1, 3, 15 पर डेटा का सेट, और 30) प्लॉट।
    3. तापमान और समय के अनुसार थर्मल चालकता डेटा की एक श्रृंखला की तुलना द्वारा डेटा का विश्लेषण; अचानक ऊंचाई के साथ मूल्यों या घाव साइटों पर घाव भरने के चरण और / या अप्रत्याशित विषमता के परिवर्तन बता ड्रॉप।

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Representative Results

चित्रा 1 मरीजों पर मात्रात्मक, त्वचा संबंधी घाव प्रबंधन के लिए बनाया गया conformal, त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली की विशेषताओं, के एक सिंहावलोकन प्रस्तुत करता है। multifunctional इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस microscale भग्न संरचनाओं 3,14 के होते हैं और रेशे टेढ़ा असाधारण यांत्रिक खिंचाव और bendability प्रदान करता है कि एक पतली elastomeric झिल्ली पर 9,17 बताते हैं। पूरी तरह से सिलिकॉन परतों से घिरा है कि शिकायत डिवाइस अकेले वान डर वाल्स बातचीत के माध्यम से त्वचा पर कोमल, प्रतिवर्ती फाड़ना सक्षम बनाता है। डिवाइस की अनूठी विशेषताओं यथार्थवादी नैदानिक ​​सेटिंग में उपयोग के लिए biocompatibility, waterproofness, आसानी से उपयोग, और यांत्रिक लचीलापन शामिल हैं।

ऐसे पॉलिमर और एक धातु (सिलिकॉन, Polyimide, और तांबे) के रूप में संकर सामग्री के एकीकरण के एक विद्युत, सुरक्षित निविड़ अंधकार, और biocompatible डिवाइस (2A चित्रा) अर्जित करता है।भग्न की एक सरणी (तांबा, घन) प्रतिरोधों (35 चौड़ाई में माइक्रोन और मोटाई में 3 माइक्रोन) कोर पर लागू झुकने उपभेदों कम करने के लिए, परतों (मोटाई में 1.2 माइक्रोन, पीआई) संलग्न polyimide के द्वारा, तटस्थ यांत्रिक विमान में रखा गया है नैदानिक ​​अनुप्रयोगों में सामग्री (घन)।

एक सिलिकॉन झिल्ली पर डिवाइस की कुल मोटाई केवल ~ 600 माइक्रोन चरम bendability की पेशकश की है। चित्रा 2 बी में योजनाबद्ध चित्र त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली के microfabrication प्रक्रिया का वर्णन है। निर्माण विधि नव विकसित हस्तांतरण मुद्रण तकनीक (पुनः प्राप्ति, स्थानांतरण, और संबंध) 9,14,18,19 के साथ पारंपरिक तकनीक microfabrication (धातुरूप, फोटोलिथोग्राफी, और नक़्क़ाशी) को जोड़ती है। एक डिवाइस के इस प्रकार एक स्वचालित मुद्रण उपकरण 20,21 के साथ बड़े पैमाने पर स्थानान्तरण मुद्रण का उपयोग करके बढ़ाया जा सकता है।

चित्रा 3 mechanica का सारएल खिंचाव और त्वचा की तरह इलेक्ट्रॉनिक्स के बिजली कार्यक्षमता, पूर्व कार्य 10 में सूचना दी। परिमित तत्व विधि (एफईएम) द्वारा यांत्रिकी और सामग्री का अध्ययन प्राकृतिक गतियों को समायोजित और यांत्रिक फ्रैक्चर (चित्रा 3 ए, ऊपर) के बिना, नैदानिक ​​प्रयोग में शामिल उपभेदों, लागू करने के लिए इष्टतम प्रणाली के डिजाइन प्रदान करता है। 30% (चित्रा 3AA, नीचे) को तन्यता उपभेदों के साथ भग्न संरचना के यांत्रिक व्यवहार प्रस्तुत करता है कि प्रयोगात्मक अध्ययन एफईएम परिणाम के साथ एक अच्छे समझौते से पता चलता है। (- 3 डी आंकड़े 3 बी) microscale प्रतिरोधों के साथ डिवाइस तापमान और तापीय चालकता और सटीक, स्थानीय हीटिंग पहुंचाने के मात्रात्मक माप के लिए प्रयोग किया जाता है। तापमान परिवर्तन के अनुसार विद्युत प्रतिरोध की अंशांकन वक्र एक अवरक्त कैमरा और एक उच्च संवेदनशीलता गर्म प्लेट (चित्रा 3 बी) का उपयोग करके प्राप्त किया गया था। मापा थर्मल चालकता की मूल्यांकन पद्धति थादो अलग-अलग बारी वर्तमान आवृत्तियों (चित्रा 3 सी) में ओमेगा -3 वोल्टेज संकेतों का उपयोग करता है कि ओमेगा -3 तकनीक 13 से अनुकूलित। भग्न प्रतिरोधों को एप्लाइड विद्युत धारा (10 मेगावाट के साथ 35 मा) एक चिकित्सकीय मोड (चित्रा 3 डी) में चलाया तापमान प्रवर्तन प्रदान करता है जो जौल हीटिंग, होता है।

व्यावहारिक, नैदानिक ​​अनुप्रयोगों के लिए, हाथ से आयोजित की युक्ति का सुझाव सफाई की प्रक्रिया के मरीजों पर उपयोग करने से पहले कीटाणुशोधन शामिल है। निविड़ अंधकार डिवाइस पर एक निस्संक्रामक समाधान के छिड़काव और पानी में तीन बार rinsing निम्न नैदानिक ​​परीक्षण (आंकड़े -4 ए और 4 बी) के लिए डिवाइस तैयार करता है। डिवाइस का गुणात्मक biocompatibility के आकलन नेत्रहीन मरीजों पर उपयोग की कई चक्र पर त्वचा का रंग और बनावट के परिवर्तन की जांच, जो त्वचा की सतह (चित्रा 4C), निरीक्षण करने के लिए एक डिजिटल संपर्क माइक्रोस्कोप का इस्तेमाल करता है। एक अवरक्त (आईआर) thermograpहरियाणा पर्विल तापमान ऊंचाई 22 का कारण बनता है जैसे साइड इफेक्ट के बाद के बारे में दो सप्ताह (चित्रा 4D) के लिए त्वचा की स्थिति का एक मात्रात्मक आकलन कर सकते हैं। जांच उपकरणों घाव ऊतकों और (एक संदर्भ के रूप में) contralateral स्थान के पास के टुकड़े टुकड़े कर रहे हैं। तापमान और तापीय चालकता के संबंधित मापदंडों की रिकॉर्डिंग एक परीक्षा कक्ष में एक डाटा अधिग्रहण प्रणाली और आईआर इमेजिंग (आंकड़े 4E और 4F) का उपयोग किया जाता है।

चित्रा 5 एक पूर्व अध्ययन 10 से एक मरीज ​​पर त्वचा संबंधी घाव भरने की मात्रात्मक माप के प्रतिनिधि डेटा प्रस्तुत करता है। चित्रा 5 ए में तस्वीरों की एक श्रृंखला से एक महीने के पाठ्यक्रम पर त्वचा पर चढ़कर डिवाइस के साथ घाव भरने की प्रक्रिया की निगरानी से पता चलता है। एक काले रंग की स्याही से रंगे घाव डिवाइस शल्य घाव के पास टुकड़े टुकड़े में किया गया था। पेन मात्रात्मक Dat के लिए एक ही स्थान पर डिवाइस के बढ़ते निर्देशित त्वचा पर निशान घाव और संदर्भ साइटों के बीच डिवाइस और तुलना में सेंसर की एक सरणी का उपयोग दिन 30 मापन तापमान और थर्मल चालकता भिन्नता के लिए 1 दिन से एक तुलना घाव भरने के चरण को दर्शाता है, सूजन (आंकड़े 5 ब - 5E)। और तापीय चालकता (आंकड़े 5 डी - 5E) का रिकॉर्ड भिन्नता - घाव डिवाइस में अत्यधिक संवेदनशील, छह सेंसर दिन 3 (5C आंकड़े 5 ब) पर शरीर का तापमान और बिंदु तीव्र सूजन के कम से कम परिवर्तन पर कब्जा करने में सक्षम थे। संदर्भ डेटा का एक सेट एक नियंत्रण के रूप में contralateral ओर से मापा गया था।

चित्र 1
चित्रा एक मरीज ​​पर त्वचा की तरह, घाव निगरानी उपकरण की विशेषताओं में से 1. अवलोकन।> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. उपकरण निर्माण (ए) बाएँ डिवाइस लेआउट (के योजनाबद्ध चित्रण; परत 1:। शीर्ष पर पारदर्शी सिलिकॉन, परत 2: पीआई, परत 3: घन, परत 4: पीआई, और परत 5: पर काले सिलिकॉन नीचे) और पूरा, लचीला / stretchable इलेक्ट्रॉनिक्स (दाएं)। कदम-दर-कदम निर्माण की प्रक्रिया (पार के अनुभागीय दृश्य) (बी) चित्रण। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. युक्ति विशेषताओं (से अनुमति के साथ reproduced 10। (ए) परिमित तत्व विधि (एफईएम) परिणाम (ऊपर) और अक्षीय तन्यता उपभेदों अप करने के लिए नीचे एक भग्न संरचना की इसी प्रयोगात्मक परिणामों (नीचे) डिवाइस जांच के लिए तीन सेंसर का उपयोग तापीय चालकता का 30%। (बी) डिवाइस जांच के लिए छह सेंसर का उपयोग तापमान की माप। (सी) मापन। (डी) स्थानीयकृत जौल हीटिंग के साथ एक सूक्ष्म हीटर के रूप में इस्तेमाल किया गया था कि इस उपकरण की इन्फ्रारेड Thermography । यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
4. क्लिनिकल परीक्षण की प्रक्रिया चित्रा। एक सफाई समाधान का उपयोग कर डिवाइस (ए) कीटाणुशोधन।क्लिनिकल परीक्षण के लिए सतह को साफ करने के लिए पानी के साथ rinsing (बी)। एक डिजिटल संपर्क माइक्रोस्कोप (बाएं) और त्वचा (दाएं) के आवर्धित दृश्य का उपयोग कर (सी) त्वचा मूल्यांकन। (डी) के तापमान के मात्रात्मक मूल्यांकन के लिए त्वचा की इन्फ्रारेड Thermography भिन्नता। (ई) एक परीक्षा कक्ष में घाव प्रबंधन के लिए नैदानिक ​​सेटिंग। (एफ) घाव (दाहिना पैर) और contralateral साइट (बाएं पैर) ऊतकों के पास टुकड़े टुकड़े में उपकरणों का बढ़ाया तस्वीर। इस का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें आंकड़ा।

चित्रा 5
डिवाइस के साथ घाव भरने की मात्रात्मक प्रबंधन की चित्रा 5. प्रतिनिधि डेटा (उन्नत हेल्थकेयर सामग्री से अनुमति के साथ reproduced 10। एक महीने के पाठ्यक्रम पर डिवाइस के साथ घाव (ए) तस्वीरें। छह सेंसरों में से एक महीने के लिए घाव के पास तापमान वितरण (बी) रिकॉर्डिंग डिवाइस (इनसेट)। एक संदर्भ के रूप में एक contralateral स्थान पर तापमान वितरण (सी) रिकॉर्डिंग। डिवाइस (इनसेट) में तीन सेंसर के साथ एक महीने के लिए घाव के पास थर्मल चालकता (डी) रिकॉर्डिंग। थर्मल (ई) रिकॉर्डिंग एक संदर्भ के रूप में एक contralateral स्थान पर चालकता। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Acknowledgments

इस काम के स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग, वर्जीनिया कॉमनवेल्थ यूनिवर्सिटी और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में से कुछ राइट वर्जीनिया माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक केंद्र में microfabrication सुविधाओं में तैयार किए गए से स्टार्टअप धन के द्वारा समर्थित किया गया था। हम प्रकाशित लेख 10 से अर्जित डिवाइस और नैदानिक ​​डेटा (इस पत्र में दिए गए आंकड़े 3 और 5), के लिए योगदान दिया जो शोधकर्ताओं स्वीकार करते हैं। कस्टम बनाया, डेटा रिकॉर्डिंग सॉफ्टवेयर के लिए डब्ल्यू-हरियाणा धन्यवाद Yoshiaki Hattori।

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)

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References

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