Fabricage en karakterisering van een Conformal Skin-achtige Electronic System for Quantitative, Cutane Wound Management

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

In klinisch onderzoek en biomedisch onderzoek, is bewaking van wondgenezing gericht op een invasieve methode die is gebaseerd op de histologische evaluatie weefsel morfologische verandering wonden 1,2. Onlangs, de snelle ontwikkelingen in de elektronische technologieën maken voor de ontwikkeling van hoge precisie beeldvorming en analyse-instrumenten die visueel kan inspecteren het wondgenezingsproces via digitale imaging 3,4 of confocale scanning microscopie en spectroscopie van 4,5. Echter, deze imaging aanpak vereisen dure en gecompliceerde optische instrumenten en operaties, en nog belangrijker, moeten patiënten tijdens het testen te immobiliseren. Derhalve bestaat er een behoefte aan nieuwe apparaten en systemen die kwantitatief, niet-invasief, gemakkelijk te gebruiken, goedkoop en multifunctionele nauwkeuriger wondbehandelingen aanbieden zijn.

Hier introduceren we een huid-achtige elektronische systeem dat nauwkeurige, real-time in kaart brengen van de temperatuur en thermische condu biedtctivity en levert een precieze niveau van verwarming bij wondplaatsen via conforme lamineren van het apparaat niet-invasief. Deze inrichting bevat een klasse van technologie, huid epidermale gemonteerde elektronische systemen die zijn ontworpen om te passen mechanische en materiaaleigenschappen (totale dikte, buigstijfheid, effectief moduli en massadichtheid) van de epidermis 6-9.

Het apparaat is ontworpen in een biocompatibele, huidvriendelijke, water-proof, en herbruikbare vorm die kan worden gewassen en gedesinfecteerd voor klinische toepassingen bij patiënten 10. De conforme elektronische inrichting aangebracht nabij het ​​wondweefsel vangt de ontsteking fase (één van wondgenezing), veroorzaakt door verhoogde bloedtoevoer en enzymatische reacties op de wond 11,12 door kwantitatieve registratie van temperatuur 8 en thermische geleiding 13, gecorreleerd aan hydratatie . Experimentele en computationele studies te bepalen een optimale mechanica ontwerp accommaten natuurlijke bewegingen en toegepaste stammen zonder mechanische breuk en vastleggen van de onderliggende fysica van het uitrekken van de mechanica van de huid-achtige elektronica die conformally laminaten op de huid oppervlak, dat de verwerving van high fidelity signalen biedt.

De in dit artikel beschreven protocollen presenteren de methoden van microfabrication voor huid-achtige elektronische systemen, het testen van de voorbereiding met inbegrip apparaat schoonmaken, installeren van apparatuur in een klinische setting en klinische toepassingen voor de kwantitatieve controle van de temperatuur en thermische geleidbaarheid op cutane wonden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De experimenten voor toestel fabricage, huid lamineren en karakterisering getoond in figuren 1, 2 en 4 betrof twee vrijwilligers, allemaal uitgevoerd in de Bio-gekoppelde nanoengineering Laboratory Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, VA, USA. Deze studie werd goedgekeurd door de VCU Institutional Review Board (protocol nummer: HM20001454) en volgde de richtlijnen van de VCU Human Research onderzoek. Het apparaat en de klinische gegevens getoond in figuren 3 en 5 werden overgenomen van de gepubliceerde artikel 10, waar de experimenten op patiënten die werden uitgevoerd in het kader van het protocol (nummer: STU69718) door de Institutional Review Board, Northwestern University, Chicago, IL, Verenigde Staten goedgekeurd.

1. Device Fabrication

OPMERKING: Figuur 2 geeft schematische illustraties voor het algehele fabricageproces.

  1. Bereid een dragersubstraat
    1. Snijd een kale 3 in silicium (Si) wafer in de gewenste grootte van de elektronica met behulp van een diamantzaag.
      OPMERKING: Ongeveer de helft Si wafer geeft een ideale grootte voor de wond apparaat.
    2. Ontvet Si wafer met aceton en isopropylalcohol (IPA). Spoel de wafer met gedeïoniseerd (DI) water en vervolgens drogen met stikstof en uitdrogen op een verwarmingsplaat bij 110 ° C gedurende 3 min.
    3. Bereid 11 g polydimethylsiloxaan (PDMS) mengsel met 10: 1 volumeverhouding basis en verharder en ontgas het mengsel in een vacuümkamer gedurende een uur.
      OPMERKING: PDMS wordt gebruikt voor een droge patroon ophalen en overdragen afdrukken na de microfabricage, die de voorkeur de natte chemische (aceton) gebaseerde benadering van het vorige onderzoek 7.
    4. Spin coat 5 g gemengde PDMS oplossing op de wafer bij 3000 rpm gedurende 1 min en volledig zetten op een verwarmingsplaat bij 150 ° C gedurende 30 min.
  2. Storting materialen en patroon elektronica
    1. Behandel de PDMS-coated wafer met ultraviolet (UV) / ozon met behulp van een UV-lamp (8,9 mW / cm2) gedurende 3 min het oppervlak hydrofiel te maken.
      Opmerking: De hydrofiel oppervlak heeft uniforme bekleding van extra lagen op het PDMS.
    2. Spincoat polyimide (PI; 2 ml) aan het PDMS gecoate wafer, door pipetteren, bij 4000 rpm gedurende 1 min een 1,2 urn dikke laag, pre-bake op een kookplaat te vormen bij 150 ° C gedurende 5 min, en post- bakken bij 250 ° C gedurende 2 uur.
    3. Borg chroom (Cr) een 20 nm dikke laag te vormen en vervolgens deponeren van koper (Cu) een 3 urn dikke laag met electron-beam (e-beam) verdamping vormen (basisdruk: ~ 1 x 10 -7 Torr , depositie druk: ~ 1 × 10 -6 Torr, depositie tarief: 1-5 a / s). Controleer de dikte van de afzetting controller interface ingebed in de verdamper film.
      Opmerking: De dikke laag Cu levert voldoende niveaus van de elektrische geleidbaarheid op microschaal weerstanden van de inrichting en de dunne laag Crwordt gebruikt om de hechting tussen PI en Cu bevorderen.
    4. Spincoat een fotoresist (2 ml) met drie treden bij 900 rpm gedurende 10 sec, 1100 rpm gedurende 60 seconden en 4000 rpm gedurende 20 seconden en genezen vervolgens op een kookplaat bij 75 ° C gedurende 30 min.
      Opmerking: De sequentiële stappen die hierboven beschreven werden gebruikt om een ​​dikke (> 10 pm) fotoresist storten.
    5. Lijn Cu elektronische patronen (sensoren, fractal "Peano 'ontwerp met 35 urn breed en interconnects; serpentine openmazige ontwerp met 50 urn breed) in het midden van de Si wafel met behulp van een UV aligner (vermogen: 10 mW / sec) met belichtingstijd 25 s.
      Opmerking: De fractale structuren worden gebruikt om hoge mechanische rekbaarheid, vergeleken met slechts 14 meanderende functies.
    6. Ontwikkelen van de fotolak in een verdunde base ontwikkelaar (1: 2 verhouding van ontwikkelaar en DI-water) voor een minuut, spoelen met DI-water, en droog met stikstof. Inspecteer de patronen (Cu fractals en interconnects) met een micro-ruimte om de functie grootte te bevestigen en vinden eventuele gebreken van deeltjes.
      OPMERKING: Als er sprake is van ongewenste gebreken, verwijder dan fotolak door spoelen met aceton / IPA / DI-water. Na het drogen met stikstof, herhaalt u de stappen van 1.2.4 naar 1.2.6.
    7. Etsen Cu laag op het Si-wafer door onderdompeling in een nat chemisch etsmiddel ~ 6 min (10 ml, mengsel van ammoniumpersulfaat en water in verhouding van 1: 4, etssnelheid van 8 nm / sec bij 40 ° C), spoeling met DI-water, en droog met stikstof. Inspecteer de patronen met behulp van een microscoop voor een over-geëtst patronen.
      OPMERKING: Als de patronen zijn over-geëtst, kan het ongewenste scherpe randen van de functies, die aan mechanische breuk kan leiden tijdens apparaat hanteren en wassen proces veroorzaken. De voorafgaande resultaten tests toonden aan dat meer dan ~ 20% over-etsen van de originele patronen veroorzaakt de bovengenoemde problemen.
    8. Etsen van de Cr-laag met reactieve ionen etsen (RIE; druk: 300 mTorr, vermogen: 200 W, CF 4 gas: 5 sccm, O 2 gas: 10 SCCM) gedurende 5 minuten. Controleer de patronen.
      OPMERKING: Bij het etsen van de Cr-laag, het RIE-proces te verkiezen chemisch etsen ongunstige reactie met de Cu laag veroorzaakt bevochtigen.
    9. Verwijder de resterende fotolak op het metaal lagen door onderdompeling van de wafer in aceton (10 ml), IPA (10 ml) en DI water (20 ml), respectievelijk. Vervolgens drogen met stikstof.
    10. Spincoat PI (2 ml) op de metalen neergeslagen wafer, door pipetteren, bij 4000 rpm gedurende 1 min een 1,2 urn dikke laag, pre-bakken op een verwarmingsplaat bij 150 ° C zijn gedurende 5 minuten, en na afbakken op 250 ° C gedurende 2 uur.
    11. Spincoat een fotoresist (2 ml) met drie treden bij 900 rpm gedurende 10 sec, 1100 rpm gedurende 60 seconden en 4000 rpm gedurende 20 seconden en genezen vervolgens op een kookplaat bij 75 ° C gedurende 30 min.
    12. Lijn PI patronen om de Cu elektronica kapselen (sensoren; fractal 'Peano' ontwerp met 35 micrometer in de breedte en interconnects, serpentine openmazige design met 250urn breed) met de vooraf gedefinieerde Cu fractals en verbindingen met een UV-aligner (vermogen: 10 mW / sec) met belichtingstijd 25 sec.
    13. Ontwikkelen van de fotolak met een verdunde ontwikkelaar (1: 2 verhouding van ontwikkelaar en DI-water) voor een minuut, spoelen met DI-water, en droog met stikstof. Inspecteer de patronen met behulp van een microscoop om de functie grootte te bevestigen en vinden eventuele gebreken van deeltjes.
      OPMERKING: Als er sprake is van ongewenste gebreken, verwijder dan fotolak door spoelen met aceton / IPA / DI-water. Na het drogen met stikstof, herhaalt u de stappen van 1.2.10 naar 1.2.13.
    14. Etsen de PI-laag met RIE (druk: 170 mTorr, vermogen: 150 W, O 2 gas: 20 SCCM) gedurende 25 min. Controleer de patronen.
    15. Verwijder de resterende fotoresist door onderdompeling van de wafer in aceton (10 ml), IPA (10 ml) en DI water (20 ml), respectievelijk. Vervolgens drogen met stikstof.
  3. Bereid een elastomeren membraan
    1. Bereid een 10 g inkapselen silicone mengsel (1:1 volumeverhouding basis en verharder) en voeg een zwarte inkt 15 met 1 tot 1 volume ratio, namelijk controlemetingen van temperatuurvariatie op de huid met behulp van een infraroodcamera vergemakkelijken.
      OPMERKING: De gebruikte siliconen (duidelijke omhullende rubber) biedt unieke kenmerken van lage viscositeit, optische helderheid, en elektrische isolatie / bescherming aan het apparaat 16.
    2. Spincoat 8 g van het mengsel in een petrischaal bij 150 rpm gedurende 1 minuut tot een 500 urn dikke elastomeren membraan en uitharding bij kamertemperatuur vormen voor O / N.
      OPMERKING: Het materiaal dient op een vlakke ondergrond uniforme dikte worden geplaatst.
    3. Snijd het membraan in de gewenste grootte van 70 mm x 30 mm met een scherp scheermesje en voorzichtig los uit de petrischaal.
  4. Te halen en over te dragen elektronica
    1. Snijd een in water oplosbare tape (25 mm x 80 mm) en voorzichtig te lamineren op de gefabriceerde elektronische patronen en leg ze op een kookplaat bij 130 ° Cgedurende 3 min.
      OPMERKING: temperatuurverhoging breidt de PDMS laag op de Si wafel dissociatie van de elektronische patronen van het oppervlak helpen.
    2. Maak de band snel uit het PDMS / Si wafer met de elektronische patronen op te halen.
    3. Storten een 20 nm dikke Cr (adhesie) gevolgd door een 50 nm dikke siliciumdioxide (SiO 2) on opgehaald patronen van e-verdamping.
    4. Behandel UV / ozon via UV-lamp (365 nm, 8,9 mW / cm2) over de gerichte silicone membraan gedurende 2 min aan het oppervlak te activeren.
    5. Breng de patronen om de siliconen membraan door het plaatsen van de opgehaalde patronen op de band naar de gewenste locatie en gelijkmatig toevoegen druk van bovenzijde van de patronen naar het substraat. Gelden water om de band te ontbinden gedurende 5 minuten.
      Opmerking: De beschreven werkwijze van materialen overdracht vergemakkelijkt door covalente binding (Si-O-Si) tussen de neergeslagen siliciumdioxide en UV geactiveerde siliconen substraat 17
    6. Verwijder de band, spoelen met gedeïoniseerd water en drogen op een verwarmingsplaat bij 90 ° C gedurende 1 min.
  5. Kapselen het apparaat met behulp van een silicone membraan
    1. Bereid een 10 g inkapselen silicone mengsel (1: 1 volumeverhouding basis en verharder).
    2. Bedek de kabel contact pads met een rechthoekig stuk PDMS (22 × 6 × 1 mm 3) door Van der Waals binding met de onderste silicone membraan, om te voorkomen dat siliconen coating van de pads.
    3. Spincoat de 5 gram silicone mengsel bij 4000 rpm gedurende 1 minuut tot een 5 urn dikke laag op de overgedragen elektronische vorm en vervolgens uitharden bij kamertemperatuur O / N.
  6. Sluit een flexibele platte kabel voor data-acquisitie
    1. Breng vloeibaar staal flux (0,5 ml), door pipetteren op de connector pads voor 3 seconden te reinigen oppervlak te maken.
    2. Bond een dunne, flexibele bandkabel op de contactpunten met druk bij hoge temperatuur (> 60 ° C). Een typisch haar straightener biedt eenvoudige bediening en binding.
      Opmerking: De micro-film kabel voorkeur de gebruikelijke draadgebonden solderen aan mechanische breuk van de overgedragen metaalmembranen een silicone voorkomen.
    3. Controleer de elektrische aansluiting met behulp van een digitale multimeter. De weerstandswaarde wordt verwacht minder dan 1 Ohm tussen de sensor pad met één uiteinde en het andere uiteinde van de kabel film (afstand: ~ 1 cm uit elkaar).
    4. Bond het andere uiteinde van de lintkabel om een ​​aangepaste printplaat met dezelfde strategie in stap 1.6.2.
    5. Controleer de elektrische aansluiting met behulp van een digitale multimeter.
    6. Sluit het apparaat met de data-acquisitie hardware door solderen conventionele draden op PCB.

2. Klinisch onderzoek

  1. Reinig het apparaat met een desinfecterende oplossing
    1. Bereid 205 g van een verdunde desinfecterende oplossing (40: 1 volumeverhouding water en oplossing).
    2. Spuit deoplossing (10 g) op het apparaat en laat deze gedurende 10 min.
      OPMERKING: De verdunde desinfecterende reiniger kan bij kamertemperatuur worden bewaard.
    3. Spoelen met water drie keer en droog het met een schone weefsels.
  2. Het opzetten van een reeks van apparatuur voor het testen van het apparaat
    1. Bereiden en sluit een lock-in versterker met een stroombron, een multiplexer, en de aangepaste software op een laptop computer voor gegevensregistratie geïnstalleerd.
    2. Plaats een infrarood camera op een statief en de focus op een doel object voor thermografie als referentie.
    3. Opgezet systeem parameters van een lock-in versterker thermische geleidbaarheid te meten (frequentie: 1 & 3 Hz; tijd constant: 3 en 1 sec; gevoeligheid: 1 mV; dynamische reserve: hoge reserve) en de temperatuur (frequentie: 997 Hz; tijd constante: 300 msec; gevoeligheid: 2 mV, dynamische reserve: lage ruis) met de toegepaste constante stroom (2 mA).
    4. Sluit twee wond apparaten, opgesteld door microfabricage en transfer printen en gemonteerd op de wond encontralaterale plaatsen, de multiplexer vlak voor het opnemen van gegevens van een patiënt.
  3. Neem temperatuur en thermische geleidbaarheid
    NB: De data acquisitie software wordt op maat gemaakt, die op afstand kan de controle van de lock-in versterker voor real-time data monitoring en opslaan. In de temperatuurmeting wordt elk meetpunt gemeten elke 300 msec voor 20 sec. De verzameling van gegevens voor de eerste 10 seconden en daarna 10 seconden wordt gebruikt om de gemiddelde temperatuurwaarde en standaarddeviatie te berekenen resp. De geregistreerde gegevens worden vervolgens opgeslagen als een door komma's gescheiden waarden bestand dat wordt gebruikt om een ​​grafiek uit te vergelijken met de gegevens van infrarood thermografie. Bij het meten van de thermische geleidbaarheid, wordt de 3Ω signalen rechtstreeks op de hardware scherm (versterker), die vervolgens wordt gebruikt om de thermische geleidbaarheid analytisch te berekenen.
    1. Wrijf de applicator sites op de huid met behulp van antiseptische alcohol doekjes 10.
    2. 2.3.2) Laminaat twee apparaten op de gewenste locaties huid door zachtjes op de inrichting op de huid met vingers om de zachte binding bevorderen: een op de chirurgische wond en de andere op de contralaterale locatie als referentie.
    3. Meet de elektrische spanning (3Ω) met betrekking tot thermische geleiding van de inrichting door het starten van de data-acquisitie.
    4. Evalueer de verkregen data naar de conform contact van de inrichting aan de huid te controleren; abnormale waarde (<0,1 W / mK) toont slecht contact van de inrichting.
    5. Meet de elektrische weerstand van de temperatuur distributie en opnemen van gegevens vast te stellen door middel van de aangepaste software.
    6. Neem optische en infrarood beelden van de twee apparaten op de huid.
    7. Vergelijk temperatuurwaarden van de IR beelden met de opgenomen uit de wond inrichting (2.3.5) data. Voeg beide waarden aan kolommen in een aangepaste spreadsheet scheiden.
  4. Analyseer de opgenomen data
    1. De geregistreerde gegevens om de exportaangepaste sjabloon automatisch berekend temperatuur en thermische geleidbaarheid van een array van sensoren in de inrichting.
    2. Plot de gegevens (temperatuur en thermische geleidbaarheid volgens de sensorlocatie een andere tijdschaal) ter vergelijking in de loop van een maand (vier reeksen gegevens op dag 1, 3, 15 en 30).
    3. Analyseer de gegevens door het vergelijken van een reeks temperaturen en thermische geleidbaarheid gegevens naar tijd; Waarden met een plotselinge verhoging of drop vertellen de verandering van wondgenezing fase en / of onverwachte afwijking op wond sites.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 1 geeft een overzicht van de kenmerken van de conforme, huidachtige elektronisch systeem, ontworpen voor kwantitatieve cutane wondbehandelingen bij patiënten. De multifunctionele elektronisch apparaat bestaat uit microschaal fractal structuren 3,14 en continuvezelmateriaal serpentijn sporen 9,17 op een dunne elastomeer membraan dat uitzonderlijke mechanische rekbaarheid en buigzaamheid biedt. Het compatibel apparaat dat geheel wordt omsloten door siliconen lagen maakt zachte, omkeerbare lamineren op de huid door middel van der Waals interacties alleen. De unieke eigenschappen van de inrichting omvatten biologische verenigbaarheid, waterdichtheid, gemak van gebruik, en mechanische flexibiliteit voor gebruik in realistische klinische omgeving.

De integratie van hybride materialen zoals polymeren en metalen (silicone, polyimide, en koper) levert een elektrisch veilig, waterdicht en biocompatibele inrichting (figuur 2A).Een reeks fractale (koper, Cu) weerstanden (35 urn breed en 3 urn dik) geplaatst op de neutrale mechanisch vlak bij afgesloten polyimide (PI, 1,2 urn dik) lagen, uitgeoefende buigspanningen op de kern minimaliseren materiaal (Cu) in klinische toepassingen.

De totale dikte van de inrichting een siliconenmembraan slechts ~ 600 urn door het aanbieden extreme buigzaamheid. De schematische afbeeldingen in figuur 2B beschrijven microfabricage van de huid-achtige elektronisch systeem. De fabricage methode combineert de conventionele microfabricage technieken (metallisatie, fotolithografie en etsen) met de nieuw ontwikkelde transfer-druktechnieken (retrieval, overdracht en binding) 9,14,18,19. Dit type van een apparaat kan worden opgeschaald met behulp van grootschalige transfer printen met een geautomatiseerde drukmachines 20,21.

Figuur 3 geeft een overzicht van de mechanical rekbaarheid en elektrische functionaliteit van het velvormig elektronica, die in de voorafgaande werkzaamheden 10. Mechanica en materialen studie van de eindige elementen methode (FEM) biedt de optimale ontwerp van het systeem om de natuurlijke bewegingen tegemoet en toegepaste stammen, die betrokken zijn bij het ​​klinisch gebruik, zonder mechanische breuk (figuur 3A, boven). De experimentele studie die mechanisch gedrag van de fractale structuur met trekspanningen tot 30% (figuur 3aa, onder) presenteert toont een goede overeenstemming met de FEM resultaten. De inrichting met microschaal weerstanden wordt gebruikt voor de kwantitatieve meting van de temperatuur en thermische geleidbaarheid en leveren precieze gelokaliseerde verwarming (Figuren 3B - 3D). De kalibratiecurve van de elektrische weerstand volgens temperatuurverandering werd verkregen met behulp van een infraroodcamera en een hooggevoelige verwarmingsplaat (Figuur 3B). De evaluatiemethode van de gemeten thermische geleidingsvermogenaangepast van de omega 3 techniek 13 die omega 3 spanningssignalen gebruikt op twee verschillende frequenties wisselstroom (figuur 3c). Toegepaste elektrische stroom (35 mA bij 10 mW) de fractale weerstanden optreedt Joule verwarming, die een therapeutisch stand (figuur 3D) regelbare temperatuur bediening biedt.

Om praktische klinische toepassingen, de voorgestelde reinigingsproces van de inrichting op handformaat omvat ontsmetting voor gebruik bij patiënten. Sproeien van een desinfecterende oplossing op de waterdichte apparaat en na spoelen met water driemaal bereidt de inrichting voor klinische testen (Figuren 4A en 4B). De beoordeling van de kwalitatieve biologische verenigbaarheid van de inrichting maakt gebruik van een digitaal contact microscoop visueel inspecteren huidoppervlak (Figuur 4C), waarbij de verandering van de huidskleur en textuur over meerdere gebruikscycli bij patiënten onderzocht. Een infrarood (IR) thermography kan een kwantitatieve beoordeling van de huidaandoeningen gedurende twee weken (figuur 4D) maken aangezien de bijwerkingen zoals erytheem veroorzaakt temperatuurverhoging 22. De onderzochte inrichtingen zijn gelamineerd nabij het wondweefsel en contralaterale locatie (als referentie). Registratie van relevante parameters van de temperatuur en thermische geleidbaarheid wordt uitgevoerd met behulp van een data-acquisitie systeem en IR beeldvorming in een examen kamer (figuren 4E en 4F).

Figuur 5 toont representatieve gegevens van kwantitatieve meting van cutane wondgenezing op een patiënt uit een voorafgaande studie 10. Een reeks foto's in figuur 5A toont het controleproces van wondgenezing met de huid gemonteerd apparaat in de loop van een maand. De wond apparaat geverfd met een zwarte inkt werd gelamineerd in de buurt van de operatiewond. Pen streepje op de huid geleid montage van het apparaat op dezelfde locatie kwantitatieve DAT vergelijking van dag 1 tot dag 30. Meting van de temperatuur en thermische geleidbaarheid variatie via een array van sensoren in de inrichting en vergelijking tussen de wond en referentiesites vangt de wondgenezende fase, inflammatie (figuur 5B - 5E). De zeer gevoelige zes sensoren in de wond inrichting konden minimale verandering van de lichaamstemperatuur en onder intense inflammatie op dag 3 (Figuur 5B - 5C) vastleggen en boeken variatie van de thermische geleidbaarheid (Figuren 5D - 5E). Een stel referentiegegevens werd gemeten van de contralaterale zijde als controle.

Figuur 1
Figuur 1. Overzicht van de kenmerken van het velvormig, gewonden bewakingsinrichting op een patiënt.> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Inrichting vervaardiging (A) Schematische weergave van de inrichting layouts (links; layer 1. Transparante silicone boven, laag 2: PI, layer 3: Cu, layer 4: PI en lagen 5: zwart silicone op bodem) en de voltooide, flexibele / rekbare elektronica (rechts). (B) Illustratie van de stap-voor-stap fabricageproces (dwarsdoorsnede). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Device kenmerken (gereproduceerd met toestemming van 10. (A) Eindige elementen methode (FEM) resultaten (boven) en de corresponderende experimentele resultaten (onder) van een fractale structuur onder uniaxiale trekspanningen tot 30%. (B) Meting van de temperatuur met behulp van zes sensoren apparaatkalibratie. (C) Meting van de thermische geleiding met behulp van drie sensoren apparaatkalibratie. (D) Infraroodthermografie van de inrichting die werd gebruikt als een micro-verwarming met gelokaliseerde Joule verwarming . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4. Klinische testproces. (A) Ontsmetting van het apparaat met behulp van een reinigingsmiddel.(B) spoelen met water van het oppervlak van klinische testen reinigen. (C) huidconsultatie met een digitale contact microscoop (links) en vergrote weergave van de huid (rechts). (D) Infraroodthermografie van de huid kwantitatieve beoordeling van de temperatuur variatie. (E) klinische setting voor wondbehandeling in een examen kamer. (F) Vergrote foto van de gelamineerde apparaten in de buurt van de wond (rechterbeen) en contralaterale website (linker been) weefsels. Klik hier om een grotere versie van deze foto figuur.

Figuur 5
Figuur 5. Representatieve gegevens van kwantitatief beheer van wondgenezing met het apparaat (weergegeven met toestemming van geavanceerde Healthcare Materials 10. (A) Foto's van de wond met de inrichting in de loop van een maand. (B) Registratie van temperatuurverdeling bij de wond gedurende een maand zes sensoren de inrichting (inzet). (C) Registratie van temperatuurverdeling op een contralaterale plaats als referentie. (D) Registratie van thermische geleidbaarheid bij de wond een maand met drie sensoren in de inrichting (inzet). (E) opnemen van thermische geleidbaarheid op een contralaterale locatie als referentie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door het opstarten van de financiering van de School of Engineering, Virginia Commonwealth University en een aantal van elektronische apparaten werden bereid bij de microfabrication faciliteiten in de Wright Virginia Microelectronics Center. Wij erkennen onderzoekers die bijdragen voor het apparaat en de klinische gegevens (figuren 3 en 5 in dit document), overgenomen van de gepubliceerde artikel 10 gemaakt. W.-HY dankzij Yoshiaki Hattori voor de op maat gemaakte, gegevensregistratie software.

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