Fabrication et caractérisation d'un système électronique conforme de la peau comme pour la gestion quantitative, cutanée plaies

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

Dans l'étude clinique et la recherche biomédicale, la surveillance de la cicatrisation des plaies a mis l'accent sur ​​une méthode invasive qui est basé sur l'évaluation histologique du tissu changement morphologique dans les plaies 1,2. Récemment, les progrès rapides dans les technologies électroniques permettent le développement de haute précision imagerie et d'analyse des outils qui peuvent inspecter visuellement le processus de cicatrisation via l'imagerie numérique 3,4 ou la microscopie confocale à balayage et la spectroscopie 4,5. Cependant, ces approches d'imagerie nécessitent coût élevé, des outils et des opérations optiques complexes, et plus important encore, les patients doivent être immobilisé pendant le test. Par conséquent, il existe un besoin pour de nouveaux appareils et systèmes qui sont quantitative, non-invasive, facile à utiliser, peu coûteux, et multifonctionnelle pour offrir une gestion plus précise de la plaie.

Ici, nous introduisons un système électronique ressemble à une peau qui fournit précis, la cartographie en temps réel de la température et thermiques Conductivité et délivre un niveau précis de chauffage au niveau des sites de plaies conforme par le dispositif de laminage de façon non invasive. Ce dispositif présente une classe de technologie, des systèmes montés peau épidermiques électroniques qui sont conçus pour correspondre aux propriétés mécaniques et matérielles (épaisseur totale, la rigidité en flexion, modules efficaces, et la densité de masse) de l'épiderme 6-9.

Le dispositif est conçu dans un, respectueux de la peau, résistant à l'eau biocompatible et forme réutilisable qui peut être lavé et désinfecté pour des applications cliniques sur des patients 10. Le dispositif électronique conforme monté à proximité des tissus de la plaie capte la phase d'inflammation (l'un des processus de cicatrisation des plaies), causé par l'augmentation du flux sanguin et des réactions enzymatiques à la plaie 11,12, grâce à l'enregistrement quantitatif de température 8 et une conductivité thermique 13, en corrélation avec hydratation . Des études expérimentales et informatiques déterminent une conception mécanique optimale à Accommodmangé mouvements naturels et les souches appliquées sans rupture mécanique et capturer les sous-jacents de la physique étirement mécanique de l'électronique de la peau comme celle stratifiés de façon conforme à la surface de la peau, qui propose l'acquisition de signaux haute fidélité.

Les protocoles décrits dans cet article présentent les méthodes de microfabrication pour les systèmes électroniques comme une peau, test de préparation y compris le nettoyage de l'appareil, la configuration de l'équipement dans un cadre clinique, et les applications cliniques pour le suivi quantitatif de la température et de la conductivité thermique sur les plaies cutanées.

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Protocol

Les expériences pour la fabrication de l'appareil, la stratification de la peau, et la caractérisation présentés dans les figures 1, 2, et 4 impliqués deux volontaires, tous effectués dans le laboratoire Bio-Nanoengineering interfacé à Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, Virginie, Etats-Unis. Cette étude a été approuvée par l'Institutional Review Board VCU (numéro de protocole: HM20001454) et a suivi les lignes directrices de recherche de la recherche chez l'humain VCU. Les données de l'appareil et cliniques présentés dans les figures 3 et 5 ont été acquises de l'article publié le 10 où les expériences sur les patients ont été menées dans le cadre du protocole (nombre: STU69718) approuvé par le Conseil institutionnel d'examen, de la Northwestern University, Chicago, IL, Etats-Unis.

Fabrication 1. Device

REMARQUE: La figure 2 présente des illustrations schématiques pour l'ensemble du processus de fabrication.

  1. Préparer un substrat de support
    1. Couper un trois en silicium (Si) dans la plaquette à nu la taille souhaitée de l'électronique en utilisant une lame de diamant.
      REMARQUE: Environ la moitié tranche de silicium donne une taille idéale pour le dispositif de la plaie.
    2. Dégraisser tranche de silicium avec de l'acétone et l'alcool isopropylique (IPA). Rincer la plaquette avec (DI) de l'eau déminéralisée puis sécher avec de l'azote et de déshydrater sur une plaque chauffante à 110 ° C pendant 3 min.
    3. Préparation 11 g de mélange de polydiméthylsiloxane (PDMS) avec 10: 1 rapport en volume de base et l'agent de durcissement et dégazer le mélange dans une chambre à vide pendant une heure.
      REMARQUE: PDMS est utilisée pour la récupération d'un motif sec et l'impression de transfert après la microfabrication, ce qui est préférable à l'approche fondée sur de l'étude précédente 7 chimique humide (acétone).
    4. Dépôt à la tournette 5 g de PDMS solution mixte sur la tranche à 3000 tpm pendant 1 min et durcir complètement sur une plaque chauffante à 150 ° C pendant 30 min.
  2. Matériaux de dépôt et de l'électronique de motif
    1. Traiter le PDMS-coated tranche avec les rayons ultraviolets (UV) / ozone à l'aide d'une lampe UV (8,9 mW / cm2) pendant 3 minutes pour rendre la surface hydrophile.
      REMARQUE: La surface hydrophile offre revêtement uniforme des couches supplémentaires sur les PDMS.
    2. Polyimide Spincoat (PI; 2 ml) sur les PDMS revêtues plaquette, par pipetage, à 4000 tours par minute pendant 1 min pour former une couche de 1,2 pm d'épaisseur, pré-cuisson sur une plaque chauffante à 150 ° C pendant 5 min, et post- cuire au four à 250 ° C pendant 2 heures.
    3. Dépôt de chrome (Cr) pour former une couche 20 nm d'épaisseur, puis déposer le cuivre (Cu) pour former une couche de 3 um d'épaisseur en utilisant un faisceau d'électrons (e-beam) évaporation (pression de base: ~ 1 × 10 -7 Torr , pression de dépôt: ~ 1 x 10 -6 Torr, vitesse de dépôt: 1 - 5 Å / s). Surveiller l'épaisseur du film par l'interface de contrôleur de dépôt intégré dans l'évaporateur.
      NOTE: L'épaisse couche de Cu fournit suffisamment de niveaux de conductivité électrique sur les résistances à micro de l'appareil et mince couche de Crest utilisé pour favoriser l'adhérence entre PI et Cu.
    4. Spincoat une résine photosensible (2 ml) avec trois étapes à 900 tours par minute pendant 10 secondes, 1100 tours par minute pendant 60 secondes et 4000 tours par minute pendant 20 s et ensuite durcir sur une plaque chauffante à 75 ° C pendant 30 min.
      REMARQUE: Les étapes successives décrites ci-dessus ont été utilisés pour déposer un (> 10 um) résine photosensible épaisse.
    5. Alignez Cu modèles électroniques (capteurs; Fractal Design 'Peano »avec 35 um de largeur et interconnexions; conception de maillage serpentine ouvert avec 50 um de largeur) au centre de la tranche de silicium en utilisant un dispositif d'alignement de UV (puissance: 10 mW / sec) avec le temps d'exposition de 25 s.
      REMARQUE: Les structures fractales sont utilisés pour fournir une extensibilité mécanique supérieure, par rapport aux caractéristiques seulement 14 méandres.
    6. Développer la résine photosensible dans un révélateur à base diluée (rapport 1: 2 du développeur et de l'eau DI) pendant une minute, rincer à l'eau DI, et sec avec de l'azote. Inspectez les motifs (fractales Cu et interconnexions) en utilisant un microportée pour confirmer la taille de la fonction et de trouver tous les défauts de particules.
      NOTE: Si il ya des défauts indésirables, puis retirez résine photosensible par rinçage à l'eau de l'acétone / IPA / DI. Après séchage avec de l'azote, répétez les étapes 1.2.4 à 1.2.6.
    7. Graver la couche de Cu sur la tranche de Si par immersion dans un agent d'attaque chimique par voie humide pendant environ 6 minutes (10 ml; mélange de persulfate d'ammonium et de l'eau dans un rapport de 1: 4; taux d'attaque chimique de 8 nm / sec à 40 ° C), rinçage avec de l'eau DI, et sec avec de l'azote. Inspectez les motifs à l'aide d'un microscope pour tous les modèles sur-gravées.
      NOTE: Si les motifs sont gravés sur-, il peut causer des arêtes vives indésirables des caractéristiques, ce qui pourrait conduire à la rupture mécanique lors de la manipulation de l'appareil et procédé de lavage. Les résultats d'essais antérieurs ont montré que plus de ~ 20% sur-gravure des motifs originaux causé les questions susmentionnées.
    8. Graver la couche de Cr avec gravure ionique réactive (RIE; pression: 300 mTorr, puissance: 200 W, CF 4 gaz: 5 sccm, gaz O 2: 10 SCCM) pendant 5 min. Inspectez les motifs.
      Remarque: Pour la gravure de la couche de Cr, le procédé RIE est préférable de mouiller gravure chimique qui provoque une réaction défavorable avec la couche de Cu.
    9. Retirer le photorésist est resté sur les couches métalliques par immersion de la plaquette dans de l'acétone (10 ml), de l'IPA (10 ml) et d'eau désionisée (20 ml), respectivement. Ensuite, séchez-le avec de l'azote.
    10. PI Spincoat (2 ml) sur la plaquette de métal déposé, par pipetage, à 4000 rpm pendant 1 min pour former une couche de 1,2 um d'épaisseur, pré-cuire sur une plaque chauffante à 150 ° C pendant 5 min, et post-cuire au four à 250 ° C pendant 2 heures.
    11. Spincoat une résine photosensible (2 ml) avec trois étapes à 900 tours par minute pendant 10 secondes, 1100 tours par minute pendant 60 secondes et 4000 tours par minute pendant 20 s et ensuite durcir sur une plaque chauffante à 75 ° C pendant 30 min.
    12. Alignez les modes de PI pour encapsuler l'électronique Cu (capteurs; Fractal Design 'Peano »avec 35 um de largeur et interconnexions; conception de maillage serpentine ouvert avec 250um de largeur) avec les fractales et les interconnexions cuivre pré-définis en utilisant un dispositif d'alignement de UV (puissance: 10 mW / sec) avec le temps d'exposition de 25 sec.
    13. Développer la résine photosensible avec un révélateur dilué (1: 2 rapport de développeur et de l'eau DI) pendant une minute, rincer à l'eau DI, et sec avec de l'azote. Inspectez les motifs à l'aide d'un microscope pour confirmer la taille de la fonction et de trouver tous les défauts de particules.
      NOTE: Si il ya des défauts indésirables, puis retirez résine photosensible par rinçage à l'eau de l'acétone / IPA / DI. Après séchage avec de l'azote, répétez les étapes à partir de 1.2.10 à 1.2.13.
    14. Graver la couche PI avec RIE (pression: 170 mTorr, puissance: 150 W, O 2 gaz: 20 SCCM) pendant 25 min. Inspectez les motifs.
    15. Retirer le photorésist est resté en immergeant la plaquette dans de l'acétone (10 ml), de l'IPA (10 ml) et d'eau désionisée (20 ml), respectivement. Ensuite, séchez-le avec de l'azote.
  3. Préparer une membrane élastomère
    1. Préparer une encapsulation de 10 g de mélange de silicone (1:Une proportion en volume de base et durcisseur) et ajouter une encre noire avec 15 1 à une rapport volumique, qui est de faciliter les mesures de contrôle de variation de température sur la peau à l'aide d'une caméra infrarouge.
      NOTE: Le silicone utilisé (caoutchouc d'encapsulation clair) offre des caractéristiques uniques de faible viscosité, la clarté optique, et l'isolement électrique / protection à l'appareil 16.
    2. Spincoat 8 g du mélange dans une boîte de Pétri à 150 tpm pendant 1 min pour former une membrane élastomère d'épaisseur 500 um et durcissement à température ambiante pendant O / N.
      NOTE: Le matériel doit être placé sur une surface plane pour une épaisseur uniforme.
    3. Couper la membrane dans la taille souhaitée de 70 mm x 30 mm en utilisant une lame de rasoir et doucement le détacher de la boîte de Pétri.
  4. Récupérer et transférer l'électronique
    1. Coupez une bande soluble dans l'eau (25 mm x 80 mm) et laminer doucement sur les modèles électroniques fabriqués et placez-les sur une plaque chauffante à 130 ° Cpendant 3 min.
      NOTE: L'élévation de température augmente la couche PDMS sur la tranche de Si afin d'aider dissociation des configurations électroniques de la surface.
    2. Détachez la bande rapidement du PDMS / tranche de silicium pour récupérer les modèles électroniques.
    3. Déposer une épaisseur de 20 nm de Cr (par adhérence), suivie d'une 50 nm d'épaisseur de dioxyde de silicium (SiO 2) sur la structure récupérés par évaporation par faisceau d'électrons.
    4. Traiter UV / ozone à l'aide de la lampe UV (365 nm, 8,9 mW / cm 2) sur la membrane de silicone ciblée pendant 2 minutes pour activer la surface.
    5. Transférer les motifs de la membrane de silicone en plaçant les motifs extraits sur la bande à l'endroit désiré et en ajoutant de façon uniforme la pression de côté supérieur des motifs vers le substrat. Appliquer de l'eau pour dissoudre la bande pendant 5 min.
      Remarque: Le procédé décrit de transfert de matières est facilitée par liaison covalente (Si-O-Si) entre le dioxyde de silicium déposé et le substrat de silicone activé UV-17
    6. Décollez la bande, rincer à l'eau déminéralisée, et sec sur une plaque chauffante à 90 ° C pendant 1 min.
  5. Encapsuler le dispositif en utilisant une membrane de silicone
    1. Préparer un encapsulant 10 g de mélange de silicone (rapport 1: 1 en volume de base et durcisseur).
    2. Couvrir les plots de contact du câble avec une pièce de PDMS rectangulaire (22 x 6 x 1 mm 3) par liaison van der Waals avec la membrane de silicone en bas, pour éviter silicone revêtant les électrodes.
    3. Spincoat le mélange de 5 g de silicone à 4000 rpm pendant 1 min pour former une couche épaisse sur les composants électroniques transférés 5 um et ensuite durcissent à température ambiante pendant O / N.
  6. Branchez un câble plat flexible pour l'acquisition de données
    1. Appliquer le flux d'acier liquide (0,5 ml), à la pipette, sur les plots de connexion pendant 3 s pour rendre la surface propre.
    2. Lier un mince câble ruban souple sur les points de contact avec la pression à haute température (> 60 ° C). Un straightene cheveux typiqueR offre une manipulation facile et le collage.
      REMARQUE: Le câble micro-film est préférable à la soudure dure-fil classique pour éviter toute fracture mécanique des membranes métalliques transférés sur un silicone.
    3. Vérifiez la connexion électrique à l'aide d'un multimètre numérique. La valeur de résistance est prévu moins de 1 Ohm entre la pastille de capteur à une extrémité et l'autre extrémité du câble de film (distance: ~ 1 cm de distance).
    4. Lier l'autre extrémité du câble ruban à une carte de circuit imprimé personnalisé avec la même stratégie décrite dans l'étape 1.6.2.
    5. Vérifiez la connexion électrique à l'aide d'un multimètre numérique.
    6. Branchez le périphérique avec le matériel d'acquisition de données en soudant des fils classiques sur le PCB.

2. Essai clinique

  1. Nettoyez l'appareil à l'aide d'une solution désinfectante
    1. Préparer 205 g d'une solution de désinfectant dilué (40: 1 de rapport de volume d'eau et de solution).
    2. Vaporisez lesolution (10 g) sur l'appareil et le faire tremper pendant 10 min.
      NOTE: Le nettoyant désinfectant dilué peut être conservé à température ambiante.
    3. Rincer à l'eau trois fois et sécher avec les tissus propres.
  2. Mettre en place une série d'équipements pour les tests de l'appareil
    1. Préparer et connecter un amplificateur lock-in avec une source de courant, un multiplexeur, et le logiciel personnalisé installé sur un ordinateur portable pour l'enregistrement de données.
    2. Placer une caméra infrarouge sur un trépied et se concentrer sur un objet cible pour la thermographie comme une référence.
    3. Mettre en place des paramètres du système d'un amplificateur lock-in pour mesurer la conductivité thermique (fréquence: 1 & 3 Hz; constante de temps: 3 et 1 sec; sensibilité: 1 mV; Dynamic Reserve: haute réserve) et la température (fréquence: 997 Hz, le temps constante: 300 ms; sensibilité: 2 mV; Dynamic Reserve: faible bruit) avec le courant constant (2 mA appliquée).
    4. Branchez deux dispositifs bobinés, préparé par l'impression de microfabrication et de transfert et monté sur la plaie etles sites contralatérales, au multiplexeur juste avant l'enregistrement de données d'un patient.
  3. La température de l'enregistrement et la conductivité thermique
    REMARQUE: Le logiciel d'acquisition de données est faite sur mesure, qui peut contrôler à distance l'amplificateur lock-in pour la surveillance des données en temps réel et l'épargne. Dans la mesure de température, chaque point de données est mesurée toutes les 300 ms pour 20 sec. L'ensemble des données pour les 10 premières secondes et 10 secondes suivantes sont utilisées pour calculer la valeur de la température moyenne et l'écart type, respectivement. Les données enregistrées sont ensuite enregistrés dans un fichier de valeurs séparées par des virgules, qui est utilisé pour tracer un graphique pour la comparaison avec les données de la thermographie infrarouge. Dans la mesure de la conductivité thermique, les signaux de 3Ω sont directement lues à partir de l'écran de matériel (amplificateur), qui est ensuite utilisé pour calculer la conductivité thermique de manière analytique.
    1. Frottez doucement les sites d'application de l'appareil sur la peau avec de l'alcool antiseptique lingettes 10.
    2. 2.3.2) flottant deux périphériques sur les emplacements souhaités pour la peau en appuyant doucement sur le dispositif sur la peau avec les doigts pour faciliter la liaison douce: l'un sur le site de la plaie chirurgicale et l'autre sur l'emplacement controlatéral comme une référence.
    3. Mesurer la tension électrique (3Ω), liée à la conductivité thermique, du dispositif en démarrant l'acquisition de données.
    4. Évaluer les données obtenues afin de vérifier le contact conforme du dispositif à la peau; valeur anormale (<0,1 W / mK) montre mauvais contact de l'appareil.
    5. Mesurer la résistance électrique pour déterminer la distribution de la température et enregistrer des données via le logiciel personnalisé.
    6. Prenez des images optiques et infrarouges des deux périphériques sur la peau.
    7. Comparer les valeurs de température à partir des images infrarouges avec les données enregistrées à partir du dispositif de la plaie (2.3.5). Ajouter les deux valeurs pour séparer les colonnes dans un tableur personnalisé.
  4. Analyser les données enregistrées
    1. Exporter les données enregistrées aumodèle pour calculer automatiquement la température et la conductivité thermique à partir d'un réseau de capteurs dans le dispositif personnalisé.
    2. Tracer les données (température et de conductivité thermique selon l'emplacement du capteur sur une échelle de temps différente) pour la comparaison au cours d'un mois (quatre ensembles de données sur les jours 1, 3, 15 et 30).
    3. Analyser les données en comparant une série de données de température et de conductivité thermique en fonction du temps; Valeurs avec brusque élévation ou la chute dire le changement de phase de cicatrisation et / ou une anomalie inattendue sur les sites de la plaie.

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Representative Results

La figure 1 présente un aperçu des caractéristiques de la conformation, système électronique ressemble à une peau, conçus pour la gestion quantitative, des plaies cutanées sur les patients. Le dispositif électronique multifonctionnel est constitué de structures fractales microscopique de 3,14 et de serpentine filamentaire retrace 9,17 sur une membrane élastomère mince qui offre une extensibilité mécanique exceptionnelle et cintrabilité. L'appareil compatible qui est complètement entouré par des couches de silicone permet douce, laminage réversible sur la peau grâce seules interactions de Van der Waals. Les caractéristiques uniques de l'appareil comprennent biocompatibilité, imperméabilité, la facilité d'utilisation et la flexibilité mécanique pour l'utilisation dans les milieux cliniques réalistes.

L'intégration des matériaux hybrides tels que des polymères et un métal (silicone, polyimide, et de cuivre), on obtient un dispositif électriquement sûr, étanche à l'eau et biocompatible (figure 2A).Un tableau de fractale (cuivre, Cu) des résistances (35 um de largeur et 3 pm d'épaisseur) est placée au niveau du plan mécanique neutre, en polyimide ci-joint (PI, 1,2 pm d'épaisseur) couches, afin de minimiser les souches de flexion appliqués sur le noyau matériau (Cu) dans des applications cliniques.

L'épaisseur totale du dispositif sur une membrane de silicone est seulement ~ 600 um en offrant une extrême cintrabilité. Les représentations schématiques de la figure 2B décrivent le processus de microfabrication du système électronique ressemble à une peau. Le procédé de fabrication combine les techniques de microfabrication classiques (métallisation, photolithographie, gravure) et avec les techniques de transfert d'impression nouvellement développés (extraction, de transfert et collage) 9,14,18,19. Ce type de dispositif peut être étendu en utilisant l'impression grand transfert de l'échelle avec un équipement d'impression automatisée 20,21.

La figure 3 résume l'mechanical extensibilité et la fonctionnalité électrique de l'électronique de la peau comme, rapportés dans le travail avant 10. Mécanique et matériaux étude réalisée par la méthode des éléments finis (FEM) offre la conception optimale du système pour accueillir les mouvements naturels et des souches, impliqués dans l'utilisation clinique appliquée, sans fracture mécanique (figure 3A, en haut). L'étude expérimentale qui présente le comportement mécanique de la structure fractale avec des souches de traction jusqu'à 30% (Figure 3Aa, en bas) montre un bon accord avec les résultats de la FEM. Le dispositif à micro avec des résistances est utilisé pour la mesure quantitative de la température et de la conductivité thermique et délivrant précis, un chauffage localisé (figures 3B - 3D). La courbe d'étalonnage de la résistance électrique selon la variation de température a été obtenue en utilisant une caméra infrarouge et d'une plaque chaude à haute sensibilité (figure 3B). Le procédé de la conductivité thermique mesurée d'évaluation étaitadaptation de la technique de oméga 3 13 3 qui utilise des signaux de tension d'oméga à deux fréquences de courant alternatif différent (Figure 3c). Courant électrique appliquée (35 mA à 10 mW) aux résistances se produit fractale chauffage par effet Joule, qui offre actionnement contrôlable de la température dans un mode thérapeutique (figure 3D).

Pour les applications pratiques, cliniques, le processus de nettoyage suggéré de l'appareil portatif implique la désinfection avant de l'utiliser sur des patients. La pulvérisation d'une solution de désinfectant sur ​​le dispositif imperméable à l'eau et après rinçage à l'eau trois fois prépare le dispositif pour l'essai clinique (figures 4A et 4B). L'évaluation de la biocompatibilité qualitative du dispositif utilise un microscope numérique de contact d'inspecter visuellement la surface de la peau (figure 4C), qui enquête sur le changement de la couleur de peau et la texture sur plusieurs cycles d'utilisation sur des patients. Une infrarouge (IR) thermograpHY peut faire une évaluation quantitative des conditions de la peau pendant environ deux semaines (Figure 4D), car les effets secondaires tels que l'érythème provoque l'élévation de température 22. Les dispositifs examinés sont laminées à proximité des tissus de la plaie et l'emplacement controlatéral (comme référence). L'enregistrement des paramètres pertinents de la température et de la conductivité thermique est effectuée en utilisant un système d'acquisition de données et de l'imagerie infrarouge dans une salle d'examen (Figures 4E et 4F).

La figure 5 présente des données représentatives d'une mesure quantitative de la guérison de la plaie cutanée chez un patient à partir d'une étude préalable 10. Une série de photos de la figure 5A illustre le processus de cicatrisation de la plaie avec le dispositif monté à la peau au cours d'un mois de suivi. Le dispositif de la plaie teint avec une encre noire a été laminée à proximité de la plaie chirurgicale. Pen marque sur la peau guidé le montage du dispositif sur le même emplacement pour dat quantitative une comparaison du jour 1 au jour 30. Mesure de la température et de la variation de conductivité thermique en utilisant un réseau de capteurs dans le dispositif et la comparaison entre les sites de la plaie et de référence capte la phase de cicatrisation, inflammation (figures 5B - 5E). Les très sensibles, six capteurs dans le dispositif de la plaie ont été en mesure de capturer des changements minimes de la température du corps et le point inflammation intense au jour 3 (figures 5B - 5C) et enregistrer la variation de la conductivité thermique (figures 5D - 5E). Un ensemble de données de référence a été mesurée à partir du côté opposé en tant que témoin.

Figure 1
Figure 1. Vue d'ensemble des caractéristiques du dispositif de surveillance des plaies de la peau comme sur un patient.> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Dispositif de fabrication (A) Illustration schématique des tracés de l'appareil (à gauche; de la couche 1:. Silicone transparent au sommet, la couche 2: PI, la couche 3: Cu, couche 4: PI, et la couche 5: silicone noir à la bas) et complété, l'électronique flexible / extensible (à droite). (B) Illustration du processus (vue en coupe), étape par étape la fabrication. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Caractéristiques de l'appareil (reproduit avec la permission de 10. (A) de la méthode des éléments finis (FEM) des résultats (en haut) et les résultats correspondants expérimentales (en bas) d'une structure fractale de moins de souches uniaxiale de traction jusqu'à 30%. (B) Mesure de la température en utilisant six capteurs pour l'étalonnage de l'appareil. (C) de mesure de la conductivité thermique à l'aide de trois capteurs pour l'étalonnage de l'appareil. (D) de la thermographie infrarouge de l'appareil qui a été utilisé comme un micro-appareil de chauffage avec chauffage par effet Joule localisé . S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. processus de test clinique. (A) du dispositif de désinfection à l'aide d'une solution de nettoyage.(B) rinçage avec de l'eau pour nettoyer la surface pour les essais cliniques. D'évaluation de la peau (C) en utilisant un microscope de contact numérique (à gauche) et vue agrandie de la peau (à droite). (D) de la thermographie infrarouge de la peau pour l'évaluation quantitative de la température variation. (E) réglage clinique pour le traitement des plaies dans une salle d'examen. (F) photo agrandie des dispositifs stratifiés près de la blessure (jambe droite) et le site controlatéral (jambe gauche) de tissus. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Les données représentatives de la gestion quantitative de la cicatrisation avec l'appareil (reproduit avec l'autorisation de Santé Matériaux avancés 10. (A) Photos de la plaie avec de l'appareil au cours d'un mois. (B) d'enregistrement de la distribution de la température près de la plaie pendant un mois avec six capteurs le dispositif (en médaillon). (C) d'enregistrement de la distribution de la température sur un emplacement controlatéral comme une référence. (D) d'enregistrement de la conductivité thermique à proximité de la plaie pendant un mois avec trois capteurs dans le dispositif (en médaillon). (E) Enregistrement des thermique conductivité sur un emplacement controlatéral comme une référence. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par le fonds de démarrage de l'École de génie, Université Virginia Commonwealth et certains appareils ont été préparés dans les installations de microfabrication dans le Virginia Wright Microelectronics Center. Nous reconnaissons chercheurs qui ont fait des contributions de l'appareil et les données cliniques (figures 3 et 5 dans le présent document), acquis de l'article publié le 10. W.-HY grâce Yoshiaki Hattori pour le logiciel d'enregistrement de données sur mesure.

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

  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).

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