Fabrikasjon og karakterisering av en Conformal Skin-lignende Electronic System for Quantitative, Kutan sårbehandling

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

I klinisk undersøkelse og biomedisinsk forskning, har overvåking av sårheling fokusert på en invasiv metode som er basert på histologisk evaluering av vev morfologisk endring i sår 1,2. Nylig, raske fremskritt i elektroniske teknologier muliggjøre utvikling av høy presisjon bildebehandling og analyseverktøy som visuelt kan inspisere sårlegingsprosessen via digital bildebehandling 3,4 eller konfokal scanning mikroskopi og spektroskopi 4,5. Imidlertid er disse bildedannende fremgangsmåter krever høye kostnader, komplisert optiske verktøy og operasjoner, og enda viktigere, pasienter som trenger å bli immobilisert under testing. Derfor er det et behov for nye enheter og systemer som er kvantitativ, ikke-invasiv, lett å bruke, billig, og multifunksjonelle å gi mer nøyaktig sårbehandling.

Her introduserer vi en hud-lignende elektronisk system som gir presis, real-time kartlegging av temperatur og termiske conductivity og leverer en nøyaktig grad av oppvarming ved viklede sider via konformal laminering av anordningen en ikke-invasiv. Denne enheten presenterer en klasse av teknologi, hud montert epidermal elektroniske systemer som er designet for å passe til mekaniske og materialegenskaper (total tykkelse, bøyestivhet, effektive moduler, og massetetthet) i overhuden 6-9.

Enheten er laget i et biokompatibelt, hudvennlig, vanntett, og gjenbrukbare form som kan vaskes og desinfiseres for kliniske applikasjoner på pasienter 10. Det konforme elektronisk anordning montert nær såret vev fanger betennelse fase (en av sårheling prosess), forårsaket av økt blodstrøm og enzymatiske reaksjoner i såret 11,12, ved kvantitativ registrering av temperatur 8 og termisk ledningsevne 13, korrelert til hydrering . Eksperimentelle og beregningsstudier bestemme en optimal mekanikere design til accommodspiste naturlige bevegelser og påført belastninger uten mekanisk brudd og fange de underliggende fysikken i strekk mekanikken hud-lignende elektronikk som laminater conformally på hudoverflaten, som tilbyr kjøp av High Fidelity signaler.

Protokollene er beskrevet i denne artikkelen presentere metoder for microfabrication for hud-lignende elektroniske systemer, testing forberedelse inkludert rengjøring enhet, oppsett av utstyr i en klinisk setting, og kliniske applikasjoner for kvantitativ overvåking av temperatur og varmeledningsevne på kutane sår.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Eksperimentene for enheten fabrikasjon, hud laminering, og karakteriseringen er vist i figurene 1, 2 og 4 involverte to frivillige, alle utført i Bio-tilkobles NanoEngineering Laboratory ved Commonwealth Virginia University (VCU), Richmond, VA, USA. Denne studien ble godkjent av VCU Institutional Review Board (protokoll nummer: HM20001454) og fulgt forsknings retningslinjene fra VCU Menneskelig Research. Enheten og kliniske data som er vist i figur 3 og 5 ble kjøpt fra den publiserte artikkelen 10 hvor eksperimenter på pasienter ble gjennomført under protokollen (antall: STU69718) godkjent av Institutional Review Board, Northwestern University, Chicago, IL, USA.

1. Device Fabrication

NOTE: Figur 2 viser skjematiske illustrasjoner av den totale fremstillingsprosess.

  1. Forbered en bæresubstrat
    1. Skjær et nakent tre i silisium (Si) wafer i ønsket størrelse av elektronikken ved hjelp av en diamantskive.
      MERK: Omtrent halvparten Si wafer gir en ideell størrelse for såret enheten.
    2. Avfette Si wafer med aceton og isopropylalkohol (IPA). Skyll wafer med deionisert (DI) vann, og deretter tørke med nitrogen og dehydrere på en varmeplate ved 110 ° C i 3 min.
    3. Forbered 11 g polydimetylsiloksan (PDMS) blanding med 10: 1 volumforhold av base og herder, og avgasse blandingen i et vakuumkammer i en time.
      MERK: PDMS brukes for en tørr mønster henting og overføre utskrift etter microfabrication, som er å foretrekke fremfor den våte kjemisk (aceton) -basert tilnærming fra forrige undersøkelse 7.
    4. Spin belegge 5 g av PDMS blandet løsning på skiven ved 3000 opm i 1 min og herde helt på en varmeplate ved 150 ° C i 30 min.
  2. Innskudd materialer og mønster elektronikk
    1. Behandle PDMS-coated wafer med ultrafiolett (UV) / ozon ved hjelp av en UV-lampe (8,9 mW / cm2) i 3 minutter for å gjøre overflaten hydrofil.
      MERK: Den hydrofile overflaten gir ensartet belegg av flere lag på PDMS.
    2. Spincoat polyimid (PI; 2 ml) på PDMS belagt skive, ved pipettering, ved 4000 opm i 1 min for å danne en 1,2-um tykt lag, pre-bake på en varmeplate ved 150 ° C i 5 minutter, og post- stek ved 250 ° C i 2 timer.
    3. Innskudd krom (Cr) for å danne et 20 nm tykt sjikt og deretter avsette kobber (Cu) for å danne et 3 mikrometer tykt lag ved hjelp av elektronstråle (e-stråle) fordampning (base trykk: ~ 1 x 10 -7 Torr , deponering press: ~ 1 × 10 -6 Torr, ytelse: 1 - 5 A / S). Overvåke filmtykkelsen ved avsetning kontrolleren grensesnittet innleiret i fordamperen.
      MERK: tykt lag av Cu gir nok nivåer av elektrisk ledningsevne på mikroskala motstander av enheten og tynne Cr lagbrukes til å fremme adhesjon mellom PI og Cu.
    4. Spincoat en fotoresist (2 ml) med tre trinn ved 900 opm i 10 sekunder, 1100 rpm i 60 sekunder, og 4000 opm i 20 sekunder, og deretter herde den på en varmeplate ved 75 ° C i 30 min.
      MERK: sekvensielle trinn beskrevet ovenfor ble brukt til å sette en tykk (> 10 mm) fotoresist.
    5. Juster Cu elektroniske mønstre (sensorer; fraktale 'Peano' design med 35 mikrometer i bredde, og sammenkoblinger, serpentin åpne masker design med 50 mikrometer i bredde) på midten av Si platen ved hjelp av en UV aligner (strøm: 10 mW / sek) med eksponeringstid 25 s.
      MERK: fraktale strukturer er brukt for å gi overlegen mekanisk trekkbarhet, sammenlignet med bare meandrerende funksjoner 14.
    6. Utvikle fotoresist i en fortynnet basefremkaller (1: 2 forhold av fremkaller og avionisert vann) i et minutt, skyll med DI vann og tørkes med nitrogen. Inspiser mønstre (Cu fraktaler og sammenkoblinger) ved hjelp av en mikroomfang for å bekrefte funksjonen størrelse og finne noen feil fra partikler.
      MERK: Hvis det er noen uønskede defekter, og deretter fjerne fotoresist ved å skylle med aceton / IPA / DI vann. Etter tørking med nitrogen, gjenta trinnene fra 1.2.4 til 1.2.6.
    7. Etse Cu lag på Si wafer ved neddykking i en våt kjemisk etsemiddel for ~ 6 min (10 ml; blanding av ammoniumpersulfat og vann i forholdet 1: 4; etsehastighet på 8 nm / sek 40 ° C), skylling med DI vann og tørkes med nitrogen. Inspiser mønstre ved hjelp av et mikroskop for eventuelle over etset mønstre.
      MERK: Hvis de mønstrene er over-etset, kan det føre til uønskede skarpe kanter av funksjoner, som kan føre til mekanisk brudd under enhet håndtering og vaskeprosessen. De kjente testresultatene viste at mer enn ~ 20% over-etsning av de opprinnelige mønstre som skyldes de tidligere nevnte problemene.
    8. Etse Cr lag med ioneetsning (RIE; trykk: 300 mTorr, effekt: 200 W, CF 4 gass: 5 sccm, O 2 gass: 10 SCCM) i 5 min. Inspiser mønstre.
      MERK: For etsing av Cr laget, er den RIE prosessen foretrekke å våtetsteknikk som forårsaker ugunstig reaksjon med Cu lag.
    9. Fjern det forble fotoresist på metallagene ved å dyppe platen i aceton (10 ml), IPA (10 ml) og avionisert vann (20 ml), henholdsvis. Så, tørk den med nitrogen.
    10. Spincoat PI (2 ml), på metallet avsettes platen, ved pipettering, ved 4000 opm i 1 min for å danne et 1,2-um tykt lag, pre-bake på en varmeplate ved 150 ° C i 5 minutter, og post-bake i 250 ° C i 2 timer.
    11. Spincoat en fotoresist (2 ml) med tre trinn ved 900 opm i 10 sekunder, 1100 rpm i 60 sekunder, og 4000 opm i 20 sekunder, og deretter herde den på en varmeplate ved 75 ° C i 30 min.
    12. Rett PI mønstre for å kapsle Cu elektronikk (sensorer, fraktal 'Peano' design med 35 mikrometer i bredde og sammenkoblinger, serpentin åpen mesh design med 250mikrometer i bredde) med forhåndsdefinerte Cu fraktaler og forbindelser ved hjelp av en UV aligner (power: 10 mW / sek) med eksponeringstid 25 sek.
    13. Utvikle fotoresist med en fortynnet utvikler (1: 2 forhold av fremkaller og avionisert vann) i et minutt, skyll med DI vann og tørkes med nitrogen. Inspiser mønstre ved hjelp av et mikroskop for å bekrefte funksjonen størrelse og finne noen feil fra partikler.
      MERK: Hvis det er noen uønskede defekter, og deretter fjerne fotoresist ved å skylle med aceton / IPA / DI vann. Etter tørking med nitrogen, gjenta trinnene fra 1.2.10 til 1.2.13.
    14. Etse PI lag med RIE (trykk: 170 mTorr, effekt: 150 W, O 2 gass: 20 SCCM) for 25 min. Inspiser mønstre.
    15. Fjern det forble fotoresisten ved å dyppe platen i aceton (10 ml), IPA (10 ml) og avionisert vann (20 ml), henholdsvis. Så, tørk den med nitrogen.
  3. Forbered en elastomer membran
    1. Forbered en 10 g innkapsle silikon blanding (1:1 volumforholdet mellom base og herder) og tilsett en svart blekk 15 med en til en volumandel, som er å legge til rette kontrollmålinger av temperaturvariasjon på huden ved hjelp av et infrarødt kamera.
      MERK: benyttet silikon (clear innkapslende gummi) gir unike egenskapene av lav viskositet, optisk klarhet, og elektrisk isolering / beskyttelse til enheten 16.
    2. Spincoat 8 g av blandingen i en petriskål ved 150 rpm i 1 minutt for å danne en 500 um tykk elastomer membran og herde ved romtemperatur i O / N.
      MERK: Materialet må plasseres på et flatt underlag for jevn tykkelse.
    3. Skjær membranen til den ønskede størrelse på 70 mm x 30 mm ved hjelp av et skarpt barberblad og forsiktig løsne den fra petriskål.
  4. Hente og overføre elektronikk
    1. Skjær et vannløselig tape (25 mm x 80 mm) og forsiktig laminat på de fabrikkerte elektroniske mønstre og plassere dem på en kokeplate ved 130 ° Ci 3 min.
      MERK: Temperatur høyde utvider PDMS lag på Si wafer å hjelpe dissosiasjon av de elektroniske mønstre fra overflaten.
    2. Løsne tape raskt fra PDMS / Si wafer å hente de elektroniske mønstre.
    3. Avsette et 20 nm tykt Cr (for adhesjon) etterfulgt av et 50 nm tykt silisiumdioksid (SiO2) på hentes mønstre ved fordampning e-stråle.
    4. Behandle UV / ozon ved hjelp av UV-lampe (365 nm, 8,9 mW / cm 2) på den målrettede silikonmembranen i 2 min for å aktivere overflaten.
    5. Overfør mønstrene til silikonmembranen ved å plassere de uttatte mønster på båndet til ønsket plassering og jevnt tilsetning av trykk fra oversiden av mønstrene ned til substratet. Anvende vann for å løse opp båndet i 5 min.
      MERK: beskrevne prosess materialoverføringen lettes ved kovalent binding (Si-O-Si) mellom det avsatte silisiumdioksyd og UV-aktiverte silikon substrat 17
    6. Trekk av båndet, skyll med DI vann, og tørk på en kokeplate ved 90 ° C i 1 min.
  5. Kapsle enhet ved hjelp av en silikonmembran
    1. Tilbered en 10 g innkapsle silikonblanding (1: 1 volumforhold av base og herder).
    2. Dekk kabel kontakt pads med et rektangulært PDMS stykke (22 × 6 × 1 mm 3) ved van der Waals binding med bunnen silikon membran, for å unngå silikon belegg pads.
    3. Spincoat det 5 g av silikon blanding ved 4000 opm i 1 min for å danne et 5 mikrometer tykt lag på de overførte elektronikken og deretter herde ved romtemperatur i O / N.
  6. Koble et fleksibelt bånd kabel for datainnsamling
    1. Påfør flytende stål fluks (0,5 ml), ved pipettering, på kontaktputene i 3 sekunder til å gjøre ren overflate.
    2. Binde en tynn, fleksibel båndkabel på kontaktpunktene med trykk ved høy temperatur (> 60 ° C). En typisk hår straightener tilbyr enkel håndtering og bonding.
      MERK: mikrofilmen kabelen er å foretrekke fremfor den konvensjonelle hardloddetråd for å unngå mekanisk brudd av de overførte metalliske membraner på en silikon.
    3. Kontroller den elektriske tilkoblingen ved hjelp av et digitalt multimeter. Motstandsverdien er ventet mindre enn 1 ohm mellom sensorpute med den ene enden og den andre enden av filmen kabelen (avstand: ~ 1 cm fra hverandre).
    4. Binde den andre ende av båndkabelen til en tilpasset trykt kretskort med den samme strategien som beskrevet i trinn 1.6.2.
    5. Kontroller den elektriske tilkoblingen ved hjelp av et digitalt multimeter.
    6. Koble enheten med datainnsamling hardware ved lodding vanlige ledninger på PCB.

2. Klinisk Testing

  1. Rengjør enheten med en desinfiserende løsning
    1. Forbered 205 g av en fortynnet desinfeksjonsløsning (40: 1 volumforhold mellom vann og oppløsning).
    2. Sprayløsning (10 g) på enheten og suge den i 10 min.
      MERK: Den fortynnede desinfiseringsmiddel kan oppbevares i romtemperatur.
    3. Skyll med vann tre ganger og tørk det med rene vev.
  2. Sett opp en serie av utstyr for testing av enheten
    1. Forbered og koble til en lock-forsterker med en aktuell kilde, en multiplekser, og tilpasset programvare installert på en bærbar datamaskin for dataregistrering.
    2. Plasser et infrarødt kamera på stativ og fokusere på et mål objekt for termografi som en referanse.
    3. Sett opp systemparameterne for en lock-in forsterker for å måle varmeledningsevne (frekvens: 1 & 3 Hz; tidskonstant: 3 og 1 sek, følsomhet: 1 mV, dynamisk park: høy reserve) og temperatur (frekvens: 997 Hz; tid konstant: 300 msek, følsomhet: 2 mV, dynamisk park: lav støy) med den påførte konstant strøm (2 mA).
    4. Koble to såret enheter, utarbeidet av microfabrication og overføring utskrift og montert på såret ogkontralaterale områder, til multiplekser rett før du spiller inn data fra en pasient.
  3. Record temperatur og termisk ledningsevne
    MERK: datainnsamling programvare er skreddersydd, som fjernkontroll kan styre lock-forsterker for real-time data overvåking og lagring. I temperaturmåling, blir hvert datapunkt målt hver 300 msek for 20 sek. Settet av data for den første 10 sek og ved 10 sek benyttes for å beregne den gjennomsnittlige temperaturen verdi og standardavvik, respektivt. De registrerte data blir da lagret som en kommaseparert fil, som brukes til å plotte en graf for sammenligning med data fra infrarød termografi. Ved måling av varmeledningsevnen, blir 3Ω signaler direkte lest fra maskinvare skjermen (forsterker), som deretter benyttes til å beregne den termiske ledningsevnen analytisk.
    1. Gni forsiktig enhet-applikasjons områder på huden ved hjelp av antiseptisk alkohol våtservietter 10.
    2. 2.3.2) Laminat to enheter på de ønskede hud steder ved å trykke forsiktig enheten til huden med fingrene for å legge til rette for myke bonding: en på operasjonssåret området og den andre på motsatt plassering som en referanse.
    3. Måle den elektriske spenning (3Ω), relatert til varmeledningsevne, av anordningen ved å starte datainnsamling.
    4. Vurdere innhentet data for å bekrefte konformal kontakt av enheten til huden; unormal verdi (<0,1 W / mK) viser dårlig kontakt av anordningen.
    5. Mål den elektriske motstanden å fastslå temperaturfordeling og registrere data gjennom tilpasset programvare.
    6. Ta optiske og infrarøde bilder av to enheter på huden.
    7. Sammenligne temperaturverdier fra IR-bilder med data registrert fra såret enhet (2.3.5). Legg begge verdier for å skille kolonner i en tilpasset regneark.
  4. Analysere de registrerte data
    1. Eksporterer innspilte data tiltilpasset mal for å automatisk beregne temperatur og varmeledningsevne fra en rekke sensorer i enheten.
    2. Plotte dataene (temperatur og termisk ledningsevne i henhold til sensorens plassering på en annen tidsskala) for sammenligning i løpet av en måned (fire sett med data på dag 1, 3, 15 og 30).
    3. Analysere dataene ved å sammenligne en serie av temperatur og varmeledningsevne av data i henhold til tid; Verdier med plutselige heving eller slippe fortelle endring av sårheling fase og / eller uventet unormalt på såret nettsteder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser en oversikt over hva som kjennetegner den konforme, hud-lignende elektronisk system, designet for kvantitativ, kutan sårbehandling på pasienter. Den multifunksjonelle elektronisk enhet består av mikroskala fraktale strukturer 3,14 og filamentary serpentin spor 9,17 på en tynn elastisk hinne som gir eksepsjonell mekanisk strekkbarhet og bendability. Den kompatibel enhet som er helt omsluttet av silikon lag gjør milde, reversible lamine på huden gjennom van der Waals interaksjoner alene. De unike egenskapene til enheten inkluderer biokompatibilitet, vanntetthet, ease-of-bruk, og mekanisk fleksibilitet for bruk i realistiske kliniske settinger.

Integreringen av hybride materialer slik som polymerer og et metall (silikon, polyimid og kobber) gir en elektrisk sikker, vanntett, og biokompatibelt anordning (figur 2A).En rekke fraktale (kobber, Cu) motstander (35 mikrometer i bredde, og 3 mikrometer i tykkelse) er plassert ved den nøytrale mekaniske planet, ved lukket polyimid (PI, 1,2 mikrometer i tykkelse) lag, for å minimere anvendt bøyningsstrekk på kjernen material (Cu) i kliniske anvendelser.

Den totale tykkelse av anordningen på en silikonmembran er bare ~ 600 mikrometer ved å tilby ekstreme bøyelighet. Det skjematiske riss i figur 2B beskrive microfabrication prosessen med huden lignende elektronisk system. Fabrikasjon metoden kombinerer konvensjonell microfabrication teknikker (metallise, fotolitografi, og etsing) med de nyutviklede transfer-utskrift teknikker (henting, overføring, og bonding) 9,14,18,19. Denne typen en enhet kan skaleres opp ved hjelp av storskala overføring utskrift med en automatisert utskrift utstyr 20,21.

Figur 3 oppsummerer Mechanical strekkbarhet og elektrisk funksjonalitet av hud-lignende elektronikk, rapportert i tidligere arbeids 10. Mekanikk og materialer studie av elementmetoden (FEM) tilbyr optimal systemdesign for å imøtekomme naturlige bevegelser og anvendt stammer, som er involvert i klinisk bruk, uten mekanisk brudd (figur 3A, øverst). Den eksperimentelle studie som viser mekanisk oppførsel av den fraktale struktur med strekkpåkjenninger på opptil 30% (figur 3AA, nederst) viser en god overensstemmelse med de resultater FEM. Anordningen med mikroskala motstander benyttes for kvantitativ måling av temperatur og varmeledningsevne og levere presise, lokalisert oppvarming (figurene 3B - 3D). Kalibreringskurven av elektrisk motstand i samsvar med temperaturforandringer ble oppnådd ved hjelp av et infrarødt kamera og en høy følsomhet kokeplate (figur 3B). Evalueringsmetoden av den målte varmeledningsevne vartilpasset fra 3 omega teknikk 13 som bruker 3 omega spenningssignaler på to forskjellige vekselstrøm frekvenser (Figur 3c). Applied elektrisk strøm (35 mA med 10 mW) til de fraktale motstander oppstår Joule oppvarming, som tilbyr kontrollerbar temperatur aktivering i en terapeutisk modus (Figur 3D).

Av praktiske, kliniske anvendelser, den foreslåtte renseprosessen av den håndholdte enhet omfatter desinfisering før bruk på pasienter. Sprøyting av en desinfiserende løsning på vanntett enhet og etter skylling i vann, tre ganger enheten klargjøres for klinisk testing (Figurene 4A og 4B). Vurderingen av kvalitative biokompatibilitet av anordningen benytter en digital kontakt mikroskop for å foreta visuell kontroll av hudoverflaten (figur 4C), som undersøker endring av hudens farge og tekstur over flere sykluser for bruk på pasienter. Et infrarødt (IR) thermography kan foreta en kvantitativ vurdering av hudsykdommer i omtrent to uker (figur 4D) siden de bivirkninger som erytem forårsaker temperaturstigning 22. De undersøkte anordninger er laminert nær såret vev og den kontralaterale sted (som referanse). Innspilling av relevante parametere for temperatur og varmeledningsevne er utført ved en datainnsamling system og IR bildebehandling i en eksamen rom (Tall 4E og 4F).

Figur 5 viser representative data for kvantitativ måling av kutan sårtilheling på en pasient fra en tidligere studie 10. En serie av bilder i figur 5A viser overvåkingen av sårtilhelingen med huden montert enhet i løpet av en måned. Såret Enheten farget med sort blekk ble laminert nær operasjonssåret. Pen markerer på huden guidet montering av enheten på samme sted i kvantitativ dat en sammenligning fra dag 1 til dag 30. Måling av temperatur og termisk ledningsevne variant ved hjelp av en rekke sensorer i apparatet, og sammenligning mellom såret og referanseområder fanger sårheling fase, inflammasjon (figur 5B - 5E). De meget følsomme, seks sensorene i såret enheten var i stand til å fange minimal endring av kroppstemperaturen og punkt intens betennelse på dag 3 (figurene 5B - 5C) og registrere variasjon av varmeledningsevne (figurene 5D - 5E). Et sett av referansedata ble målt fra motsatt side som en kontroll.

Figur 1
Figur 1. Oversikt over egenskapene av hud-lignende, viklet overvåkningsenhet på en pasient.> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Device fabrikasjon (A) Skjematisk illustrasjon av enhets oppsett (venstre; lag. 1: gjennomsiktig silikon på toppen, lag 2: PI, lag 3: Cu, lag 4: PI, og lag 5: svart silikon på bunn) og fullført, fleksibel / tøyelig elektronikk (til høyre). (B) Illustrasjon av trinn-for-trinn fabrikasjon prosessen (snitt). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Enhetsegenskaper (gjengitt med tillatelse fra 10. (A) elementmetoden (FEM) resultater (øverst) og de ​​tilsvarende eksperimentelle resultater (nederst) av en fraktal struktur i henhold enaksede strekk stammer opptil 30%. (B) Måling av temperatur ved hjelp av seks sensorer for enheten kalibrering. (C) Måling av termisk ledningsevne ved hjelp av tre sensorer for enheten kalibrering. (D) Infrarød termografi av anordningen som ble brukt som en mikro-ovn med lokaliserte Joule varme . Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Klinisk testprosessen. (A) Desinfisering av enheten ved hjelp av et rengjøringsmiddel.(B) Skylling med vann for å rengjøre overflaten for klinisk testing. (C) Skin vurdering ved hjelp av en digital kontakt mikroskop (til venstre) og forstørret bilde av huden (til høyre). (D) Infrarød termografi av huden for kvantitativ vurdering av temperatur variasjon. (E) Klinisk setting for sårbehandling i en eksamen rom. (F) Forstørret bilde av laminerte enheter i nærheten såret (høyre ben) og motsatt side (venstre bein) vev. Klikk her for å se en større versjon av denne figur.

Figur 5
Figur 5. Representative data av kvantitativ forvaltning av sårtilheling med enheten (gjengitt med tillatelse fra Advanced helsetjenester materialer 10. (A) Bilder av såret med enheten i løpet av en måned. (B) Opptak av temperaturfordeling nær såret i en måned med seks sensorer i enheten (innfelt). (C) Opptak av temperaturfordeling på en motsatt posisjon som en referanse. (D) Innspillingen av varmeledningsevne nær såret i en måned med tre sensorer i enheten (innfelt). (E) Opptak av termisk ledningsevne på en motsatt posisjon som en referanse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av oppstart finansiering fra School of Engineering, Virginia Commonwealth University og noen av elektroniske enheter var forberedt på microfabrication fasiliteter i Wright Virginia Microelectronics Center. Vi erkjenner forskere som har gjort bidrag for enheten og kliniske data (figur 3 og 5 i denne artikkelen), kjøpt fra den publiserte artikkelen 10. W.-HY takket Yoshiaki Hattori for skreddersydd, data innspillingen programvare.

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