Herstellung und Charakterisierung eines Conformal-Haut-like Electronic System for Quantitative, kutane Wundmanagement

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

In der klinischen Studie und der biomedizinischen Forschung, hat die Überwachung der Wundheilung auf ein invasives Verfahren, das auf der histologische Auswertung von Gewebe morphologischen Veränderung in Wunden 1,2 basierend fokussiert ist. Kürzlich, schnelle Fortschritte in der elektronischen Technologien ermöglichen die Entwicklung von hochgenauen Abbildung und Analyse-Tools, die eine Sichtprüfung kann die Wundheilung via Digital-Imaging-3,4 oder der konfokalen Scanmikroskopie und Spektroskopie 4,5. Jedoch brauchen Abbildungs ​​Ansätze erfordern hohe Kosten, komplizierte optische Werkzeuge und Operationen und vor allem müssen die Patienten während des Tests immobilisiert werden. Daher besteht ein Bedarf für neue Geräte und Systeme die quantitative, non-invasive, einfach zu bedienende, kostengünstige und multifunktionale genauere Wundversorgung anzubieten.

Hier wird eine hautartige elektronisches System, das eine präzise Echtzeitzuordnung von Temperatur und Wärme condu bietet stellen wirctivity und liefert eine genaue Höhe der Heizung an Wundstellen über konforme Laminierung des Geräts nicht-invasiv. Diese Vorrichtung stellt eine Klasse von Technologien, haut montiert epidermalen elektronische Systeme, die ausgelegt sind, um mechanische und den Materialeigenschaften entsprechen (Gesamtdicke, Biegesteifigkeit wirksam Moduli und Massendichte) der Oberhaut 6-9.

Das Gerät ist in einem biokompatiblen, hautfreundlichen, wasserdicht gestaltet, und wiederverwendbare Form, gewaschen und für klinische Anwendungen am Patienten 10 desinfiziert werden kann. Die konforme elektronische Gerät in der Nähe der Wundgewebe montiert fängt die Entzündungsphase (einer der Wundheilung), durch erhöhte Durchblutung und enzymatische Reaktionen auf die Wunde 11,12 verursacht, durch die quantitative Erfassung der Temperatur 8 und Wärmeleitfähigkeit 13, um Trink korreliert . Experimentelle und theoretische Studien zu bestimmen, eine optimale Mechanik-Design, um Unterkunftaß natürlichen Bewegungen und angewandte Stämme ohne mechanische Bruch und erfassen die zugrunde liegende Physik der Dehnung Mechanik der hautähnlichen Elektronik, die konform auf der Hautoberfläche, die Übernahme von High-Fidelity-Signale bietet Laminate.

Die in diesem Artikel beschriebenen Protokolle stellen die Verfahren der Mikrofabrikation für hautartige elektronische Systeme, Testvorbereitung einschließlich Gerätereinigung Geräteanordnung in einer klinischen Umgebung und klinischen Anwendungen zur quantitativen Überwachung der Temperatur und der thermischen Leitfähigkeit auf Hautwunden.

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Protocol

Die Experimente zur Bauelementherstellung, Haut Laminierung und Charakterisierung in den 1, 2 gezeigt, und 4 beteiligten zwei Freiwillige, alle in der Bio-Schnittstelle Nanoengineering Laboratory an der Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, VA, USA durchgeführt. Diese Studie wurde von der VCU Institutional Review Board genehmigt (Protokollnummer: HM20001454) und folgte den Forschungs Richtlinien der Human Research VCU. (: STU69718 Nummer) vom Institutional Review Board, der Northwestern University, Chicago, IL, USA stimmten die in den 3 und 5 gezeigten Vorrichtung und klinische Daten wurden aus der veröffentlichten Artikel 10, wo die Experimente an Patienten wurden im Rahmen des Protokolls durchgeführt erworben.

1. Herstellung der Vorrichtung

HINWEIS: Abbildung 2 zeigt schematische Darstellungen für die gesamte Herstellungsprozess.

  1. Bereiten Sie ein Trägersubstrat
    1. Geschnitten einem nackten 3 in Silicium (Si) -Wafer in die gewünschte Größe der Elektronik unter Verwendung eines Diamantklinge.
      HINWEIS: Über die Hälfte Si-Wafer ergibt eine ideale Größe für den Wund Gerät.
    2. Entfetten Si-Wafer mit Aceton und Isopropylalkohol (IPA). Mit deionisiertem (DI) Wasser spülen den Wafer und dann mit Stickstoff trocken und dehydriert auf einer Heizplatte bei 110 ° C für 3 min.
    3. Vorbereitung 11 g Polydimethylsiloxan (PDMS) in Mischung mit 10: 1 Volumenverhältnis von Base und Härter und entgast die Mischung in einer Vakuumkammer für eine Stunde.
      HINWEIS: PDMS ist für einen trockenen Muster Retrieval verwendet und Transferdruck nach der Mikrofabrikation, die besser als die nasschemische (Aceton) -basierten Ansatz aus der früheren Studie 7.
    4. Schleuderbeschichtungs 5 ​​g Misch PDMS-Lösung auf den Wafer bei 3000 UpM 1 min und komplett auf einer Heizplatte härten bei 150ºC für 30 min.
  2. Kaution Materialien und Muster Elektronik
    1. Behandeln Sie die PDMS-coated Wafer mit ultraviolettem (UV) / Ozon unter Verwendung einer UV-Lampe (8,9 mW / cm 2) für 3 Minuten, um die Oberfläche hydrophil zu machen.
      HINWEIS: Die hydrophile Oberfläche bietet eine gleichmäßige Beschichtung von zusätzlichen Schichten auf den PDMS.
    2. Schleuderbeschichtung Polyimid (PI; 2 ml) zu den PDMS beschichteten Wafer durch Pipettieren, bei 4000 UpM für 1 Minute, um eine 1,2 um dicke Schicht, Vorbackvorgang auf einer Heizplatte bei 150 ° C für 5 min zu bilden und post- Backen bei 250 ° C für 2 Std.
    3. Ablagerung Chrom (Cr), um eine 20 nm dicke Schicht zu bilden und abzulagern, dann Kupfer (Cu), um eine 3 um dicke Schicht unter Verwendung Elektronenstrahl (E-Strahl) Verdampfen bilden (Basisdruck: ~ 1 × 10 -7 Torr , Ablagerungsdruck: ~ 1 × 10 -6 Torr Abscheidungsrate: 1 - 5 A / S). Überwachen Sie die Filmdicke durch die Ablagerung Controller-Schnittstelle im Verdampfer eingebettet.
      HINWEIS: Die dicke Schicht aus Cu liefert genug Niveaus der elektrischen Leitfähigkeit auf der Mikrowiderstände der Vorrichtung und dünnen Cr-Schichtwird verwendet, um die Haftung zwischen PI und Cu zu fördern.
    4. Schleuderbeschichtung ein Photoresist (2 ml) mit drei Stufen bei 900 rpm für 10 sec, 1.100 rpm für 60 sec, und 4000 rpm für 20 Sekunden und dann heilen auf einer Heizplatte bei 75 ° C für 30 min.
      HINWEIS: Die vorstehend beschriebenen aufeinanderfolgenden Schritte wurden verwendet, um eine dicke (> 10 um) Photolack abzuscheiden.
    5. Ausrichten Cu elektronischen Muster (Sensoren; Fraktal "Peano" Entwurf mit 35 & mgr; m in der Breite und Zwischenverbindungen; Serpentinen offenmaschigen Design mit 50 & mgr; m in der Breite) in der Mitte des Si-Wafers unter Verwendung eines UV-Ausrichters (Energie: 10 mW / sec) mit Belichtungszeit 25 s.
      HINWEIS: Die fraktale Strukturen werden verwendet, um überlegene mechanische Dehnbarkeit bereitzustellen, im Vergleich zu lediglich 14 mäandernden Funktionen.
    6. Entwickeln des Photolacks in einer verdünnten Basisentwickler (1: 2-Verhältnis von Entwickler und DI-Wasser) für eine Minute, Spülen mit DI-Wasser, und mit Stickstoff trocken. Untersuchen Sie die Muster (Cu Fraktale und Verbindungen) mit Hilfe eines MikroRahmen, um die Funktion Größe zu bestätigen und finden Mängel von Partikeln.
      HINWEIS: Wenn es irgendwelche unerwünschten Defekten, dann entfernen Photoresist durch Spülen mit Aceton / IPA / DI-Wasser. Nach dem Trocknen mit Stickstoff, wiederholen Sie die Schritte 1.2.4 bis 1.2.6.
    7. Ätzen der Cu-Schicht auf dem Si-Wafer in einem naßchemischen Ätzmittel für ~ 6 Minuten eingetaucht (10 ml; Gemisch aus Ammoniumpersulfat und Wasser im Verhältnis 1: 4; Ätzrate von 8 nm / s in 40 ° C), Spülen mit DI-Wasser, und mit Stickstoff trocken. Untersuchen Sie die Muster mit Hilfe eines Mikroskops für überätzt Mustern.
      HINWEIS: Wenn die Muster überätzt, kann es unerwünschte scharfe Kanten der Merkmale, die bei der Gerätebehandlung und Waschprozess in mechanische Bruch führen könnte verursachen. Die Testergebnisse zeigten, dass vor mehr als ~ 20% Überätzung der Originalmuster verursacht die oben genannten Fragen.
    8. Ätzen der Cr-Schicht mit reaktiven Ionenätzen (RIE; Druck: 300 mTorr, Leistung: 200 W, CF 4 -Gas: 5 sccm, O 2 -Gas 10 sccm) für 5 min. Untersuchen Sie die Muster.
      HINWEIS: Ätzen der Cr-Schicht ist das RIE-Verfahren vorzuziehen, chemisches Ätzen ungünstige Reaktion mit dem Cu-Schicht bewirkt benetzen.
    9. Entfernen der Photoresist blieben auf den Metallschichten durch Eintauchen der Wafer in Aceton (10 ml), IPA (10 ml) und DI-Wasser (20 ml) dargestellt. Dann trocknen Sie es mit Stickstoff.
    10. Schleuderbeschichtung PI (2 ml) auf der Metall abgeschieden Wafer durch Pipettieren, bei 4000 UpM für 1 Minute, um eine 1,2 um dicke Schicht, Vorbackvorgang auf einer Heizplatte bei 150 ° C für 5 min zu bilden und Nachhärten bei 250 ° C für 2 Std.
    11. Schleuderbeschichtung ein Photoresist (2 ml) mit drei Stufen bei 900 rpm für 10 sec, 1.100 rpm für 60 sec, und 4000 rpm für 20 Sekunden und dann heilen auf einer Heizplatte bei 75 ° C für 30 min.
    12. Richten PI-Muster, um die Cu-Elektronik verkapseln (Sensoren, fraktale 'Peano' Design mit 35 & mgr; m in der Breite und Interconnects, Serpentin offener Mesh-Design mit 250um in der Breite) mit den vordefinierten Cu Fraktale und Leiterbahnen unter Verwendung eines UV-Ausrichters (Energie: 10 mW / sec) mit Belichtungszeit 25 sec.
    13. Entwickeln des Photolacks mit einer verdünnten Entwickler (1: 2-Verhältnis von Entwickler und DI-Wasser) für eine Minute, Spülen mit DI-Wasser, und mit Stickstoff trocken. Untersuchen Sie die Muster mit Hilfe eines Mikroskops, um die Funktion Größe zu bestätigen und finden Mängel von Partikeln.
      HINWEIS: Wenn es irgendwelche unerwünschten Defekten, dann entfernen Photoresist durch Spülen mit Aceton / IPA / DI-Wasser. Nach dem Trocknen mit Stickstoff, wiederholen Sie die Schritte vom 1.2.10 bis 1.2.13.
    14. Ätzen der PI-Schicht mit RIE (Druck: 170 mTorr, Leistung: 150 W, O 2 -Gas 20 sccm) für 25 min. Untersuchen Sie die Muster.
    15. Entfernen der Photoresist blieb durch Eintauchen der Wafer in Aceton (10 ml), IPA (10 ml) und DI-Wasser (20 ml) dargestellt. Dann trocknen Sie es mit Stickstoff.
  3. Bereiten Sie eine Elastomer-Membran
    1. Vorbereitung einer 10 g Einkapseln Silikonmischung (1:1 Volumenverhältnis von Basis und Härter) und fügen Sie eine schwarze Tinte 15 mit 1-1 Volumen-Verhältnis, was zu Kontrollmessungen der Temperaturänderung auf der Haut mit einer Infrarotkamera zu erleichtern.
      HINWEIS: Das verwendete Silikon (clear einkapselnden Kautschuk) bietet einzigartigen Eigenschaften von niedriger Viskosität, optische Klarheit und eine elektrische Isolierung / Schutz für das Gerät 16.
    2. Schleuderbeschichtung 8 g der Mischung in einer Petrischale bei 150 UpM für 1 Minute, um eine 500 um dicke Elastomermembran und Heilung bei RT O bilden / N.
      HINWEIS: Das Material muss auf einer ebenen Fläche für die einheitliche Dicke gebracht werden.
    3. Schneiden Sie die Membran in die gewünschte Größe von 70 mm x 30 mm unter Verwendung einer scharfen Rasierklinge und vorsichtig nehmen Sie ihn aus der Petrischale.
  4. Abrufen und übertragen Elektronik
    1. Schneiden Sie ein wasserlösliches Band (25 mm x 80 mm) und vorsichtig laminieren auf die fabrizierten elektronische Muster und legen Sie sie auf einer Heizplatte bei 130 ° Cfür 3 min.
      HINWEIS: Temperaturerhöhung expandiert die PDMS-Schicht auf dem Si-Wafer, um die Dissoziation der elektronischen Muster von der Oberfläche zu helfen.
    2. Nehmen Sie das Band schnell von der PDMS / Si-Wafer, um die elektronischen Muster abzurufen.
    3. Abscheiden einer 20 nm dicken Cr (Adhäsion), gefolgt von einer 50 nm dicken Siliziumdioxid (SiO 2) auf gefundenen Muster durch Elektronenstrahlverdampfung.
    4. Behandlung von UV / Ozon unter Verwendung von UV-Lampe (365 nm, 8,9 mW / cm 2) auf dem Zielsilikonmembran für 2 min, um die Oberfläche zu aktivieren.
    5. Übertragung der Muster, um die Silikonmembran, indem die abgerufenen Muster auf dem Band an den gewünschten Ort und gleichmäßig Zugabe Druck Oberseite der Muster auf das Substrat. Bewerben Wasser, um das Band für 5 Minuten zu lösen.
      ANMERKUNG: Das beschriebene Verfahren der Materialübertragung durch kovalente Bindung (Si-O-Si) ermöglicht zwischen der abgeschiedenen Siliziumdioxid und UV-aktivierten Silikonsubstrat 17
    6. Ziehen Sie das Band, Spülen mit DI-Wasser, und trocknen auf einer Heizplatte bei 90 ° C für 1 min.
  5. Kapseln Sie das Gerät unter Verwendung einer Silikonmembran
    1. Bereiten Sie eine 10 g Verkapselung Silikon-Gemisch (1: 1 Volumenverhältnis von Basis und Härter).
    2. Abdeckung der Kabelkontaktfelder mit einem rechteckigen PDMS Stück (22 × 6 × 1 mm 3), die durch van der Waals-Bindung mit dem unteren Silikonmembran, Silikon vermeiden Beschichten der Pads.
    3. Schleuderbeschichtung der 5 g Silikonmischung bei 4.000 min-1 min, um eine 5 um dicke Schicht auf den übertragenen Elektronik bilden, und dann härten bei Raumtemperatur für O / N.
  6. Schließen Sie eine flexible Flachbandkabel für die Datenerfassung
    1. Flüssiges Stahlflusses (0,5 ml) mit einer Pipette auf den Anschlusspads für 3 sec zu reinigende Oberfläche zu machen.
    2. Verbinden eine dünne, flexible Flachbandkabel an den Kontaktstellen mit Druck bei hoher Temperatur (> 60 ° C). Eine typische Haar straightener bietet einfache Handhabung und Bindung.
      HINWEIS: Der Mikrofilmkabel ist bevorzugt, die herkömmlichen Hartdrahtlöten jeglicher mechanischer Bruch der transferierten Metallmembranen auf Silikon vermeiden.
    3. Überprüfen Sie die elektrische Verbindung mit einem Digital-Multimeter. (: ~ 1 cm voneinander entfernt) wird der Widerstandswert zwischen dem Sensorblock mit einem Ende und dem anderen Ende der Filmkabel erwartet weniger als 1 Ohm.
    4. Verbinden Sie das andere Ende des Flachbandkabels, um eine kundenspezifische Leiterplatte mit in Schritt 1.6.2 beschrieben die gleiche Strategie.
    5. Überprüfen Sie die elektrische Verbindung mit einem Digital-Multimeter.
    6. Schließen Sie das Gerät mit der Datenerfassungshardware durch Löten herkömmlichen Leitungen auf der Leiterplatte.

2. Klinische Prüfung

  1. Reinigen Sie das Gerät mit einer Desinfektionslösung
    1. Herzustellen 205 g einer verdünnten Desinfektionslösung (40: 1 Volumenverhältnis von Wasser und Lösung).
    2. Sprühen Sie dasLösung (10 g) auf dem Gerät und legen Sie ihn für 10 Minuten.
      HINWEIS: Die verdünnte Desinfektionsreiniger können bei RT gelagert werden.
    3. Spülen Sie mit Wasser dreimal und trocknen Sie es mit sauberem Gewebe.
  2. Richten Sie eine Reihe von Anlagen für Gerätetests
    1. Bereiten Sie und schließen Sie einen Lock-in-Verstärker mit einer Stromquelle, einem Multiplexer und die kundenspezifische Software auf einem Laptop-Computer zur Datenerfassung installiert.
    2. Platzieren Sie eine Infrarot-Kamera auf einem Stativ und konzentrieren sich auf ein Zielobjekt für die Thermographie als Referenz.
    3. Richten Sie Systemparameter eines Lock-in-Verstärker, um die Wärmeleitfähigkeit zu messen (Frequenz: 1 und 3 Hz; Zeitkonstante: 3 und 1 sec; Empfindlichkeit: 1 mV; dynamische Reserve: hohe Rücklage) und Temperatur (Frequenz: 997 Hz, die Zeit Konstante: 300 ms; Empfindlichkeit: 2 mV; dynamische Reserve: Low Noise) mit der angelegten Konstantstrom (2 mA).
    4. Schließen Sie zwei Wickelvorrichtungen, durch Mikro und Transferdruck vorbereitet und auf Wunde angebracht ist undkontralateralen Seiten, zu dem Multiplexer direkt vor der Aufzeichnung von Daten aus einem Patienten.
  3. Rekordtemperatur und Wärmeleitfähigkeit
    HINWEIS: Die Datenerfassungssoftware ist nach Maß, die den Lock-in-Verstärker für Echtzeit-Datenüberwachung und sparen Fernbedienung kann. Bei der Temperaturmessung, wird jeder Datenpunkt alle 300 ms für 20 sec gemessen. Die Menge der Daten für die ersten 10 Sekunden und nächsten 10 sec verwendet, um die Durchschnittstemperatur und Standardabweichung zu berechnen sind. Die aufgezeichneten Daten werden dann als komma-separierte Datei, die verwendet wird, um eine Grafik für den Vergleich mit Daten aus Infrarot-Thermografie Grundstückes gespeichert. Bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit sind die 3Ω Signale direkt von der Hardware-Bildschirm (Verstärker), die dann verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit analytisch berechnet wird gelesen.
    1. Reiben Sie die Geräteanwendung Stellen auf der Haut mit antiseptischer Alkoholtupfer 10.
    2. 2.3.2) Laminat zwei Geräte an den gewünschten Hautstellen durch leichtes Eindrücken der Vorrichtung auf der Haut mit den Fingern, um das weiche Bindung zu erleichtern: eine auf der chirurgischen Wundstelle und die andere auf der Gegen Lage als Referenz.
    3. Messen der elektrischen Spannung (3Ω), um die Wärmeleitfähigkeit bezogen, der Vorrichtung durch Beginn der Datenerfassung.
    4. Auswertung der erhaltenen Daten, die einen konformen Kontakt der Vorrichtung an der Haut zu verifizieren; abnormalen Wert (<0,1 W / mK) zeigt schlechten Kontakt des Gerätes.
    5. Messen Sie den elektrischen Widerstand, um die Temperaturverteilung und die Aufzeichnungsdaten durch die kundenspezifische Software zu bestimmen.
    6. Nehmen optischen und IR-Bilder von zwei Vorrichtungen auf der Haut.
    7. Vergleichen Temperaturwerte von den IR-Bilder mit den von der Wunde Vorrichtung (2.3.5) aufgezeichneten Daten. Fügen Sie beide Werte auf Spalten in einer kundenspezifischen Tabellenkalkulation zu trennen.
  4. Analysieren Sie die aufgezeichneten Daten
    1. Exportieren Sie die aufgezeichneten Daten auf derangepasste Vorlage auf die Temperatur und thermische Leitfähigkeit berechnet automatisch von einer Anordnung von Sensoren in der Vorrichtung.
    2. Zeichnen Sie die Daten (Temperatur und Wärmeleitung nach der Stelle des Sensors auf einer anderen Zeitskala) für den Vergleich im Verlauf von einem Monat (vier Sätze von Daten am Tag 1, 3, 15 und 30).
    3. Analyse der Daten durch Vergleichen einer Serie von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit Daten nach der Zeit; Werte mit plötzlicher Höhen oder Tropfen sagen, der Wechsel der Wundheilungsphase und / oder unerwartete Anomalie auf Wundstellen.

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Representative Results

Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Eigenschaften der konformen, hautartigen elektronischen Systems für die quantitative, kutaner Wundbehandlung an Patienten ausgelegt. Das multifunktionale elektronische Gerät besteht aus Mikro fraktale Strukturen 3,14 und fadenförmigen Serpentinenspuren 9,17 auf einer dünnen Elastomermembran, die außergewöhnliche mechanische Dehnbarkeit und Biegefähigkeit bietet. Die kompatiblen Gerät, das vollständig von Silikonschichten eingeschlossen ist ermöglicht sanfte, reversible Kaschierung auf der Haut durch van der Waals-Wechselwirkungen allein. Die einzigartigen Eigenschaften der Vorrichtung gehören Biokompatibilität, Wasserdichtigkeit, Einfachheit der Verwendung und mechanische Flexibilität für die Verwendung in realistischen klinischen Umgebungen.

Die Integration von Hybridmaterialien wie Polymere und einem Metall (Silikon, Polyimid und Kupfer) ergibt eine elektrisch sichere, wasserfest und biokompatibel Vorrichtung (2A).Eine Anordnung von fraktalen (Kupfer, Cu) Widerstände (35 um breit und 3 um in der Dicke) in der neutralen mechanischen Ebene liegen, von einem geschlossenen Polyimid (PI, 1,2 um Dicke) Schichten aufgebracht Biegebelastungen auf den Kern zu minimieren Material (Cu) in der klinischen Anwendung.

Die Gesamtdicke des Geräts, auf einer Silikonmembran ist nur ~ 600 um, indem sie extreme Biegefähigkeit. Die schematischen Darstellungen in Figur 2B beschreiben die Mikrofabrikationsprozess der Haut artigen elektronischen Systems. Das Herstellungsverfahren kombiniert die herkömmliche Mikrofabrikationstechniken (Metallisierung, Photolithographie und Ätzen) mit den neu entwickelten Übertragungsdrucktechniken (Abruf, Übertragung und Bindung) 9,14,18,19. Diese Art eines Gerätes kann mit Hilfe in großem Umfang Transferdruck mit einem automatisierten Druckmaschinen 20,21 skaliert werden.

Abbildung 3 fasst die mechanical Dehnbarkeit und elektrische Funktionalität der hautähnlichen Elektronik, berichtet im Stand der Arbeiten 10. Mechanik und Materialien Studie der Finite-Elemente-Methode (FEM) bietet die optimale System-Design, natürliche Bewegungen aufnehmen und angewandte Stämme, in die klinische Anwendung beteiligt, ohne mechanische Bruch (3A, oben). Die experimentelle Studie, die mechanische Verhalten des fraktalen Struktur mit Zugbelastungen bis zu 30% (Abbildung 3Aa, unten) zeigt eine gute Übereinstimmung mit den FEM-Ergebnisse. (- 3D 3B) Das Gerät mit Mikrowiderständen dient zur quantitativen Messung von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit und liefert präzise, ​​lokale Erwärmung verwendet. Die Eichkurve für den elektrischen Widerstand entsprechend der Temperaturänderung wurde mit Hilfe einer Infrarot-Kamera, und einen hochempfindlichen Heizplatte (3B) erhalten wird. Das Bewertungsverfahren der gemessenen Wärmeleitfähigkeitvom 3 Omega-Technik 13, die 3 omega Spannungssignale an zwei verschiedene Wechselstromfrequenzen (Abbildung 3c) verwendet angepasst. Angelegten elektrischen Strom (35 mA bei 10 mW) auf die fraktale Widerständen auftritt Joule-Heizung, die in einem therapeutischen Modus (3D) der überwachten Temperatur Betätigung bietet.

Aus praktischen, klinischen Anwendungen, die vorgeschlagene Reinigungsverfahren der tragbaren Vorrichtung beinhaltet Desinfektion vor bei Patienten verwenden. Versprühen einer Desinfektionslösung auf der wasserdichten Einrichtung und nach dem Spülen in Wasser dreimal bereitet die Vorrichtung zur klinischen Prüfung (4A und 4B). Die Beurteilung der qualitative Biokompatibilität der Vorrichtung nutzt einen digitalen Kontakt Mikroskop visuell zu prüfen die Hautoberfläche (4C), die die Veränderung der Hautfarbe und Textur über mehrere Zyklen des Medikaments an Patienten untersucht. Ein Infrarot (IR) thermograpHY eine quantitative Aussage über das Hauterkrankungen für etwa zwei Wochen (4D), da die Nebenwirkungen wie Hautrötung verursacht eine Temperaturerhöhung 22 zu machen. Die untersuchten Geräte in der Nähe der Wundgewebe und kontralateralen Stelle (als Referenz) laminiert. Aufzeichnung der relevanten Parameter der Temperatur und der thermischen Leitfähigkeit wird mit einem Datenerfassungssystem und IR-Bildgebung in einem Untersuchungsraum (4E und 4F) durchgeführt.

5 stellt repräsentative Daten der quantitativen Messung der kutanen Wundheilung bei einem Patienten aus einer früheren Studie 10. Eine Reihe von Fotos in 5A zeigt die Überwachung der Wundheilung mit der Haut angebrachten Vorrichtung im Verlauf von einem Monat. Die Wunde Gerät mit einer schwarzen Tinte gefärbt wurde in der Nähe der Operationswunde laminiert. Stiftstellen auf der Haut an der gleichen Stelle für quantitative DAT geleitet die Montage der Vorrichtung ein Vergleich von Tag 1 bis Tag 30. Die Messung der Temperatur und der Wärmeleitfähigkeit Variation unter Verwendung einer Anordnung von Sensoren in dem Gerät und den Vergleich zwischen der Wunde und Referenzstellen erfasst die Wundheilungsphase Entzündung (5B - 5E). Die hochempfindlichen, sechs Sensoren in der Wunde Vorrichtung konnten minimalen Veränderung der Körpertemperatur und der Punkt intensive Entzündung am Tag 3 (5B - 5C) zu erfassen und aufzuzeichnen Variation der Wärmeleitfähigkeit (5D - 5E). Ein Satz von Referenzdaten aus der kontralateralen Seite als Kontrolle gemessen.

Abbildung 1
Figur 1. Überblick über Eigenschaften der Haut artig gewickelt Überwachungsvorrichtung für einen Patienten.> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Bauelementherstellung (A) Schematische Darstellung der Vorrichtung Layouts (links; Schicht 1:. Transparentem Silikon an der Spitze, Schicht 2: PI, Schicht 3: Cu, Schicht 4: PI und Schicht 5: schwarz Silikon an die Boden) und der abgeschlossene, flexible / dehnbare Elektronik (rechts). (B) Illustration der Schritt-für-Schritt-Herstellungsprozess (Querschnitt). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. Gerätemerkmale (mit Genehmigung nach wiedergegeben 10. (A) Finite-Elemente-Methode (FEM) Ergebnisse (oben) und die entsprechenden Versuchsergebnisse (unten) einer fraktalen Struktur unter einachsiger Zugbelastung bis zu 30%. (B) Messung der Temperatur unter Verwendung von sechs Sensoren zur Gerätekalibrierung. (C) Messung der Wärmeleitfähigkeit mit drei Sensoren zur Gerätekalibrierung. (D) Infrarot-Thermographie des Geräts, das als Mikroheizer mit lokalisierten Joule'sche Erwärmung verwendet wurde . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 4
Abbildung 4. Klinische Testprozess. (A) Desinfektion des Gerätes mit einer Reinigungslösung.(B) Spülen mit Wasser, um die Oberfläche für die klinische Prüfung zu reinigen. (C) Hautbeurteilung unter Verwendung eines digitalen Kontaktmikroskop (links) und vergrößerte Ansicht der Haut (rechts). (D) Die Infrarot-Thermografie der Haut für die quantitative Beurteilung der Temperatur Variation. (E) Klinische Einstellung für Wundmanagement in einem Untersuchungsraum. (F) Vergrößerte Foto der laminierten Geräte in der Nähe der Wunde (rechtes Bein) und kontralateralen Seite (linkes Bein) Gewebe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version davon zu sehen Abbildung.

Figur 5
Abbildung 5. Repräsentative Daten von mengenmäßige Bewirtschaftung der Wundheilung mit dem Gerät (mit Genehmigung von Advanced Healthcare Materials wiedergegeben 10. (A) Fotos der Wunde mit dem Gerät im Laufe eines Monats. (B) Aufzeichnung der Temperaturverteilung in der Nähe der Wunde für einen Monat mit sechs Sensoren in die Vorrichtung (Einschub). (C) Aufnehmen der Temperaturverteilung auf einer kontralateralen Lage als Referenz. (D) Aufzeichnen der Wärmeleitfähigkeit in der Nähe der Wunde für einen Monat mit drei Sensoren in der Vorrichtung (Einschub). (E) Aufzeichnen der thermischen Leitfähigkeit auf einem kontralateralen Lage als Referenz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von der Startup-Finanzierung von der School of Engineering, Virginia Commonwealth University und einige elektronische Geräte wurden in den Mikrofabrikationsanlagen in der Wright Virginia Microelectronics Center vorbereitet unterstützt. Wir erkennen die Forscher, die Beiträge für das Gerät und klinischen Daten (3 und 5 in diesem Papier), aus der veröffentlichten Artikels 10 erworben werden. W.-HY dank Yoshiaki Hattori für die maßgeschneiderte, Daten-Recording-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

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  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).
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