制作定量,皮肤伤口管理一个形皮肤般的电子系统与表征

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

在临床研究和生物医学研究,监测伤口愈合的已集中在基于在伤口1,2-组织形态变化的组织学评价的侵入性方法。近日,在电子技术的迅速进步使高精度成像和分析工具,可以通过数字成像3,4或共聚焦扫描显微镜和能谱4,5目视检查伤口愈合过程的发展。然而,这些成像方法需要成本高的,复杂的光学工具和操作,以及更重要的是,患者需要在测试期间,固定。因此,需要一种新的设备和系统,是定量的,非侵入性的,易于使用,价格低廉,而且多官能,提供更准确的伤口处理。

这里,介绍一种皮肤状的电子系统,该系统提供了精确,实时的温度和热condu映射及Ca2 +提供加热伤口部位的通过设备非侵入性的保形层压一个精确的水平。此装置呈现类表皮6-9的技术,皮肤安装表皮电子系统被设计为匹配到机械和材料性质(总厚度,弯曲硬度,有效模量,和质量密度)的。

该装置设计在生物相容性,皮肤友好,防水,和可重复使用的形式,可以清洗和消毒为对患者10的临床应用。安装在靠近伤口组织共形电子设备捕获炎症相(伤口愈合过程中的一个),引起血流增加,并酶促反应到伤口11,12,通过温度8和热导率13定量记录,相关的水合。实验和计算研究,确定一个最佳的力学设计,以accommod吃自然运动和施加应变而不断裂机械和捕获拉伸皮肤状的电子设备,层压共形地在皮肤表面上,这提供了获得的高保真信号的力学的基本物理。

本文中描述的方案提出的微细加工的方法的皮肤状的电子系统,测试制剂包括设备清洗,设备安装在临床环境中,并且对温度和热导率对皮肤伤口定量监测临床应用。

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Protocol

该实验为器件制造,皮肤贴合,和表征于图1,图2和4涉及两个志愿者,所有弗吉尼亚联邦学报(VCU),里士满,弗吉尼亚州,美国在生物接口纳米工程实验室完成。这项研究被批准为VCU机构审查委员会(协议号为:HM20001454),并随后从VCU人类研究的研究指导原则。批准的机构审查委员会,西北大学,芝加哥,伊利诺伊,美国:(STU69718号)在图3和图5所示的装置和临床数据是从哪里被该协议下进行对患者的实验中发表的文章10获得。

1.设备制造

:图2给出的示意图的整体制造工艺。

  1. 制备载体衬底
    1. 通过使用金刚石刀切割一个裸3中的硅(Si)晶片放入电子设备的期望的尺寸。
      注:约半数硅晶片给出了伤口设备的理想尺寸。
    2. 脱脂Si晶片用丙酮和异丙醇(IPA)。冲洗晶片,用去离子(DI)水,然后用氮气干燥和脱水在热板上在110℃下3分钟。
    3. 准备11个克用10聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合物的:碱1体积比和固化剂,并在真空室中一小时脱气混合物。
      注:PDMS被用于干花样检索和微制造,这是优选的湿化学(丙酮)从以前的研究为基础的7方法后转移印花。
    4. 旋涂5克的晶片上的混合的PDMS溶液在3,000rpm下离心1分钟,完全固化在热板上在150℃下进行30分钟。
  2. 存款材料和模式电子
    1. 对待PDMS-C用紫外(UV)oated晶片/臭氧通过使用UV灯(8.9毫瓦/厘米2)下3分钟,以使表面亲水性的。
      注:亲水性表面提供的PDMS上的附加层均匀的涂层。
    2. 旋涂聚酰亚胺(PI; 2毫升)上涂覆的晶片,通过移液,在4,000rpm下1分钟,从而形成在电炉上一个1.2-μm厚的层,预烘焙,在150℃下进行5分钟的PDMS,和后烘烤,在250℃进行2小时。
    3. 存款铬(Cr),以形成一个20nm厚层,然后沉积铜(Cu),以形成一个3微米厚的层通过使用电子束(e-束)蒸发(基础压力:〜1×10 -7乇 ,沉积压力:〜1×10 -6乇,淀积速率:1 - 5 A / S)。监测薄膜厚度通过嵌入在蒸发器中的沉积控制器接口。
      注:本厚厚的一层铜提供有关设备和薄Cr层的微型电阻足够的水平电导率是用来促进PI和铜之间的粘合。
    4. 旋涂光致抗蚀剂(2ml)中的三个步骤以900rpm,10秒,1100转60秒,并以4,000rpm进行20秒,然后固化它在热板上在75℃下进行30分钟。
      注意:上述的顺序步骤被用于沉积厚(> 10微米)光刻胶。
    5. 对齐的Cu电子型态(传感器;分形“的Peano'设计与35微米​​的宽度和互连;蛇纹石网眼设计与50微米的宽度)通过使用UV对准在硅晶片的中心(功率:10毫瓦/秒)与曝光时间25秒。
      注意:分形结构是用来提供优异的机械伸缩性,相比于仅仅蛇行特征 14。
    6. 开发光刻胶在稀释的基础开发:一分钟(1 2比开发商和去离子水),冲洗去离子水,并用氮气干燥。检查用微型图案(铜分形和互连)范围,以确认该特征尺寸和发现任何缺陷从微粒。
      注:如果有任何不想要的缺陷,然后用丙酮/ IPA / DI水漂洗去除光致抗蚀剂。用氮气干燥后,重复上述步骤,从1.2.4到1.2.6。
    7. 通过浸渍在湿化学蚀刻剂〜6分钟蚀刻Cu层的Si晶片上(10毫升,过硫酸铵和水以1比的混合物:4;蚀刻为8nm /秒的速率在40℃),漂洗用DI水,并用氮气干燥。检查用显微镜为任何过度蚀刻图案的图案。
      注意:如果图案被过度蚀刻,则可能引起的特征,这可能导致机械断裂期间设备处理和洗涤过程不希望的尖锐边缘。现有的测试结果表明,以上〜20%的过蚀刻的原始图案而引起的上述问题。
    8. 蚀刻Cr层用反应离子蚀刻(RIE;压力:300毫乇,功率:200瓦,CF 4气体 :5秒立方厘米,O 2气:10 sccm)的5分钟。检查模式。
      注:对于Cr层的蚀刻,RIE工艺优选润湿化学蚀刻,导致与铜层不利反应。
    9. 通过浸渍于丙酮晶片(10毫升),异丙醇(10毫升),DI水(20毫升)中,除去在所述金属层上的光致抗蚀剂仍分别。然后,用氮气干燥。
    10. 旋涂的PI(2毫升)中的金属沉积晶片上,通过移液,在4000rpm下1分钟,以形成在电炉上一个1.2-μm厚的层,预烘焙,在150℃下进行5分钟,和后烘烤处250℃下进行2小时。
    11. 旋涂光致抗蚀剂(2ml)中的三个步骤以900rpm,10秒,1100转60秒,并以4,000rpm进行20秒,然后固化它在热板上在75℃下进行30分钟。
    12. 对齐PI模式封装铜电子(传感器;分形“皮亚诺”的设计与35微米​​的宽度和互连;蛇纹网眼设计,250微米的宽度)与预定义的铜分形和互连通过使用UV对准器(功率:10毫瓦/秒)与曝光时间25秒。
    13. 开发该光刻胶用稀释的显影剂(1:2的比例显影剂和DI水的)一分钟,冲洗去离子水,并用氮气干燥。检查用显微镜确认的特征尺寸和发现任何缺陷从颗粒的图案。
      注:如果有任何不想要的缺陷,然后用丙酮/ IPA / DI水漂洗去除光致抗蚀剂。用氮气干燥后,重复上述步骤,从1.2.10到1.2.13。
    14. 蚀刻的PI层用RIE(压力:170毫乇,功率:150瓦,O 2气:20 sccm)的25分钟。检查模式。
    15. 通过浸渍于丙酮晶片(10毫升),异丙醇(10毫升),DI水(20毫升)中,除去光致抗蚀剂仍分别。然后,用氮气干燥。
  3. 准备一个弹性膜片
    1. 准备将10g封装硅胶混合物(1:基料和固化剂的1体积比),并添加一个黑色油墨15有一至一体积比,这是为了便于在使用红外照相机的皮肤温度变化的控制的测量。
      注:利用硅胶(透明封装胶)为低粘度,光学透明度,和电气隔离/保护的独特的特点的设备16。
    2. 在培养皿中在150rpm,1分钟旋涂8克的混合物,以形成500微米厚的弹性膜片和固化在RT O / N。
      注:该材料需要放置在平坦表面上为均匀的厚度。
    3. 通过使用锋利的刀片切割膜成70毫米×30毫米的期望的尺寸和从培养皿轻轻分离。
  4. 检索和传递电子
    1. 切的水溶性胶带(25毫米×80毫米),并轻轻地层压到所制造的电子型态,并将其放置在热板上在130℃下3分钟。
      注:温度升高扩大的PDMS层的Si晶片上,以帮助从所述表面上的电子型态的离解。
    2. 从PDMS /硅片迅速取下胶带检索电子模式。
    3. 沉积20nm厚的Cr(粘合),后跟一个50纳米厚的二氧化硅(SiO 2)上检索的模式由电子束蒸发。
    4. 通过使用对目标硅油膜的紫外线灯(365纳米,8.9毫瓦/厘米2)进行2分钟,以活化表面处理的UV /臭氧。
    5. 通过将检索的模式在磁带上,以所需的位置并均匀地加入从型态的顶侧压力下降到该衬底转移该图案至硅膜。适用的水以溶解在磁带5分钟。
      注:材料转移的所描述的方法是通过共价键合(的Si-O-Si)的促进沉积的二氧化硅和紫外线活化硅酮基材17之间
    6. 剥离胶带,冲洗用DI水,并干燥在热板上在90℃下1分钟。
  5. 使用有机硅膜封装装置
    1. 准备一个10克封装硅胶混合物(1:基地1体积比和固化剂)。
    2. 覆盖电缆接触垫具有矩形的PDMS片(22×6×1毫米3)通过范德华键合与底硅油膜,避免硅氧烷涂覆垫。
    3. 旋涂的5克聚硅氧烷混合物的在4,000rpm下1分钟,以形成一个5微米厚层上的转移电子,然后固化在RT O / N。
  6. 连接一个灵活的带状电缆进行数据采集
    1. 适用钢液通量(0.5毫升)中,通过移液,在连接器焊盘,持续3秒,使清洁表面。
    2. 与高温压力结合的接触点柔软的细带状电缆(> 60℃)。一个典型的头发straightene- [R提供易于处理和粘接。
      注意:微薄膜电缆优选的常规硬线焊接,以避免对硅氧烷的转印金属膜的任何机械断裂。
    3. 检查使用数字万用表的电连接。电阻值预计小于1欧姆的传感器垫的一端与薄膜电缆的另一端之间(距离:约1cm间隔)。
    4. 粘结带状电缆的另一端连接到定制的印刷电路板与在步骤1.6.2中描述的相同的策略。
    5. 检查使用数字万用表的电连接。
    6. 通过在PCB上焊接的常规导线连接设备和数据采集硬件。

2.临床试验

  1. 用消毒液清洁设备
    1. 制备205克的稀释的消毒剂溶液(40:水和溶液1体积比)。
    2. 喷溶液(10克)的设备上,并浸泡10分钟。
      注:将稀释的消毒清洁剂可以储存在室温。
    3. 用清水冲洗三次,并用干净的组织擦干。
  2. 建立了一系列的设备进行设备测试
    1. 准备并与电流源,一个多路转换器,并且安装了一个膝上型计算机用于数据记录上的定制软件连接一个锁定放大器。
    2. 将红外相机三脚架和重点热熔作为参考目标对象上。
    3. 一个锁定放大器的设置系统参数来测量热导率(频率:1和3赫兹;时间常数:3和1秒;灵敏度:1毫伏;动态储备:高储备)和温度(频率:997赫兹;时间常数:300毫秒;灵敏度:2 mV的;动态准备金:低噪音)的应用恒定电流(2 mA)的。
    4. 连接两个卷绕设备,备微细加工和转移印花装在伤口,对侧网站,到多路复用器从患者记录数据之前。
  3. 记录温度和热导率
    注:数据采集软件都是定制的,它可以远程控制的锁相放大器进行实时数据监控和保存。在温度测量中,每个数据点测定每300毫秒持续20秒。该组的第10秒和接下来的10秒的数据的用于计算的平均温度值和标准差,分别。然后,记录的数据被保存为一个逗号分隔值文件,它是用来绘制一个曲线图,与红外热成像数据进行比较。在热导率的测量中,3Ω信号直接从硬件屏幕(放大器),然后将其用于计算热传导率解析读取。
    1. 轻轻擦上使用的防腐剂酒精对皮肤的设备应用程序的网站湿巾10。
    2. 2.3.2)层叠所期望的皮肤的位置由设备轻轻按压到皮肤用手指便于软粘接两个设备:一个在外科手术伤口部位,另一对侧的位置作为参考。
    3. 通过启动数据采集测量电电压(3Ω),相关的热导率,该设备的。
    4. 评价所获得的数据,以验证设备到皮肤的共形接触;异常值(<0.1W / mK)以下示出了该装置的接触不良。
    5. 测量的电阻通过自定义软件确定温度分布和记录数据。
    6. 取的在皮肤上的两个装置的光学和红外图像。
    7. 从红外图像从伤口设备(2.3.5)记录的数据进行比较的温度值。添加这两个值以自定义电子表格单独列。
  4. 分析所记录的数据
    1. 导出所记录的数据传送到定制模板自动计算温度和热导率从传感器在设备的阵列。
    2. 绘制数据(温度,并根据在不同的时间尺度,传感器位置的热导率)进行比较一个月以上的场(四组数据的第1天,3,15,和30)。
    3. 通过比较一系列温度和根据时间的热导率数据的分析数据;突然高程值或删除告诉伤口愈合期和/或意外的异常对伤口部位的变化。

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Representative Results

图1表示的该共形,皮样的电子系统的特性,设计用于患者的定量,皮肤伤口管理的概述。多功能电子装置由微观分形结构3,14和丝状蛇形走线9,17上形成薄的弹性膜,它具有优越的机械拉伸和弯曲。它是完全由硅层所包围的兼容装置能够平缓,可逆层压上通过单独范德华相互作用的皮肤。该设备的独特特征包括生物相容性,防水性,易于使用,并机械灵活性在现实的临床环境中使用。

混合材料如聚合物和金属(聚硅氧烷,聚酰亚胺和铜)的积分产生的电安全,防水,和生物相容设备图2A)。分形阵列(铜;铜)的电阻(35微米的宽度和厚度为3微米)被放置在中性机械平面,由封闭的聚酰亚胺(PI,1.2微米厚)的层,以尽量减少对芯施加弯曲应变在临床应用中的材料(铜)。

上的硅膜的装置的总厚度仅为〜600微米,通过提供极端弯曲加工性。在图2B的示意图描述的皮肤状的电子系统的微细加工。的制造方法结合了传统的微细加工技术(金属化,光刻和蚀刻)与新开发的转印印刷技术(检索,转移和粘合)9,14,18,19。这种类型的装置的可通过使用大规模转移印花用自动印刷设备20,21进行放大。

图3总结了力学升拉伸性和皮肤状电子电功能性,报告了在现有的工作10。力学和材料研究通过有限元法(FEM)提供最佳的系统设计,以适应自然运动和施加的菌株,参与临床使用,没有机械断裂图3A,上图)。实验研究呈现的分形结构与拉伸应变高达30%(3AA,底部)的机械性能显示与FEM结果非常吻合。与微尺度电阻装置用于温度和热导率,并提供精确的,局部加热的定量测量( 图3B - 3D)。通过使用红外相机和高灵敏度的热板图3B)获得的根据温度变化的电阻的校准曲线。所测量的热导率的评价方法是适于从使用3欧米加电压信号在两个不同的交流电流的频率( 图3c)的3欧米加技术13。施加电流(35毫安的10毫瓦)到分形电阻器发生的焦耳热,它提供可控温度的致动在治疗模式图3D)。

对于实际的,临床应用中,手持式装置的建议的清洗过程涉及到对患者使用前消毒。喷涂的防水装置上的消毒液和后续漂洗水中三次准备装置,用于临床试验( 图4A和4B)。该装置的定性生物相容性的评估使用数字接触显微镜目视检查皮肤表面图4C),文中对皮肤的颜色和纹理过使用对患者多次循环的变化。一个红外(IR)thermogr​​apHY可以使皮肤条件大约两个星期图4D)的定量评估,因为副作用如红斑导致升温22。所检查的器件被层叠伤口附近的组织和对侧位置(作为参考)。温度和热导率的相关参数的记录是利用一个数据采集系统和红外成像在诊疗室4E和4F)进行。

图5示从之前的研究10的患者的皮肤伤口愈合定量测定的代表性数据。一系列的 5A中示出的照片伤口愈合与皮肤的车载装置一个月以上的过程中的监视处理。染成与黑色墨水卷绕装置层压邻近手术伤口。笔上引导装置安装在相同的位置进行定量的DAT皮肤痕从1天至30的温度和热导率变动的测量天用在设备和比较伤口和参考点之间的传感器阵列的比较捕获的伤口愈合阶段,炎症( 图5B - 5E)。高度敏感的,六在伤口设备传感器能够捕捉的体温和点强烈炎症第3天( 图5B - 5C)最小变化率和热导率5D - 5E)的记录的变化。一组参考数据是从对侧作为对照测定。

图1
图上的患者皮肤状,伤口监视装置的特征1.概述。>点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2.设备制造(A)的示意图的设备布局(左侧的图示;层1:透明硅的顶部,层2:PI,层3:铜,层4:PI和层5:黑色硅酮处底部),完成后,灵活/拉伸电子(右)。(B)插图的一步一步的制造工艺(横截面图)的。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3.设备特性(转载自许可 )10。(A)的有限元法(FEM)的结果(上)和一个分形结构的单轴拉伸应变达到了相应的实验结果(底)的30%。(B)的温度下使用六个传感器用于设备校准的测量。(C)的测量使用三个传感器,用于设备校准的热导率。(D)中被用作一个微型加热器与局部焦耳加热设备的红外热。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4.临床试验过程。 (A)使用的消毒清洗液的装置。(B)与水冲洗来清洁表面,用于临床试验。使用数字接触显微镜(左)和皮肤(右)的放大视图(C)的皮肤评估。(D)中的皮肤温度的定量评估红外热的变化。(E)用于伤口处理在检查室的临床设置。(F)的伤口(右腿)和对侧的网站(左腿)组织附近的层压设备的放大照片。 请点击此处查看这是一个更大的版本数字。

图5
伤口愈合与设备量化管理的图5。代表性的数据(再现与先进的医疗资料的申请 )10。(A)图片与设备在一个月的过程中,伤口。(二)记录在伤口附近的温度分布的一个月,在六个传感器设备(插图)。在一对侧位置作为基准温度分布(℃)记录 。一个月伤口与三个传感器中的装置(插图)附近的热导率(D)的记录。热(E)的记录电导率在对侧定位作为参考。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Acknowledgments

这项工作是由来自弗吉尼亚联邦大学的工程学院,以及一些电子器件制备的微细加工设施的赖特弗吉尼亚州微电子中心的启动资金支持。我们承认研究员谁作出贡献设备和临床数据( 图3和图5本文),从公布的 10条获得的。 W.-HY感谢服部良明的定制,数据记录软件。

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

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