Tillverkning och karakterisering av en Konform Skin liknande elektroniska systemet för kvantitativ hud- 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 | Reprints and Permissions

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 studie och biomedicinsk forskning, har övervakning av sårläkning inriktad på en invasiv metod som är baserad på histologisk utvärdering av vävnads morfologisk förändring i sår 1,2. Nyligen, snabba framsteg inom elektronisk teknik gör det möjligt att utveckla hög precision bild- och analysverktyg som visuellt kan inspektera sårläkningsprocessen via digital bildbehandling 3,4 eller konfokal scanning mikroskopi och spektroskopi 4,5. Men dessa avbildning kräver höga kostnader, komplicerade optiska verktyg och verksamhet, och ännu viktigare, patienter måste immobiliseras under provningen. Det finns därför ett behov av nya anordningar och system som är kvantitativ, icke-invasivt, lätt att använda, billig, och multifunktionella erbjuda mer exakt sårbehandling.

Här presenterar vi en hud-liknande elektroniskt system som ger exakt, realtids kartläggning av temperatur och termiska conductivity och levererar en exakt nivå av uppvärmning vid sårställen via konform laminering av anordningen icke-invasivt. Denna enhet ger en klass av teknik, hud monterade epidermala elektroniska system som är utformade för att passa till mekaniska och materialegenskaper (total tjocklek, böjstyvhet, effektiva moduler, och massdensitet) i överhuden 6-9.

Enheten är utformad i ett biokompatibelt, hudvänlig, vattentäta, och återanvändbar form som kan tvättas och desinficeras för kliniska tillämpningar på patienter 10. Det konforma elektronisk anordning monterad nära de lindade vävnader fångar inflammationen fasen (en av sårläkning processen), som orsakas av ökat blodflöde och enzymatiska reaktioner till såret 11,12, genom kvantitativ registrering av temperatur 8 och värmeledningsförmåga 13, korreleras till hydratisering . Experimentella och beräknings studier bestämma en optimal mekanik design för att accommodåt naturliga rörelser och tillämpad stammar utan mekanisk fraktur och fånga de underliggande fysiken sträcknings mekanik av huden liknande elektronik som laminat konformt på hudytan, som erbjuder förvärv av High fidelity signaler.

De protokoll som beskrivs i denna artikel presentera metoder för mikro för hud liknande elektroniska system, testa preparatet inklusive enhet städning, installation av utrustningen i en klinisk miljö, och kliniska tillämpningar för kvantitativ övervakning av temperatur och värmeledningsförmåga på kutana sår.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Experimenten för enhet tillverkning, hud laminering och karakterisering visas i figur 1, 2 och 4 involverade två volontärer, alla utförda i Bio-gränssnitt nanoteknologi Laboratory vid Virginia Commonwealth University (VCU), Richmond, VA, USA. Studien godkändes av VCU Institutional Review Board (protokollnummer: HM20001454) och följt riktlinjerna forsknings från VCU Human Research. De enhetsdata och kliniska visas i figurerna 3 och 5 har förvärvats från den publicerade artikeln 10, där experimenten på patienterna genomfördes enligt protokollet (nummer: STU69718) godkänts av Institutional Review Board, Northwestern University, Chicago, IL, USA.

1. Anordning Fabrication

OBS: Figur 2 visar schematiska illustrationer för den totala tillverkningsprocessen.

  1. Förbered ett bärarsubstrat
    1. Skär en kal 3 i kisel (Si) skivan i den önskade storleken på elektroniken med hjälp av en diamantklinga.
      OBS: Ungefär hälften Si wafer ger en perfekt storlek för såret enheten.
    2. Avfetta Si-skiva med aceton och isopropylalkohol (IPA). Skölj skivan med avjoniserat (DI) vatten och torka sedan med kväve och dehydrera på en värmeplatta vid 110 ° C under 3 minuter.
    3. Bered 11 g polydimetylsiloxan (PDMS) blandning med 10: 1 volymförhållande av bas och härdare och avlufta blandningen i en vakuumkammare i en timme.
      OBS: PDMS används för en torr mönster hämtning och överföra utskrift efter mikro, vilket är att föredra framför våtkemisk (aceton) baserad metod från den tidigare studien 7.
    4. Spin belägga 5 g blandat PDMS lösningen på skivan vid 3000 rpm under 1 min och härda fullständigt på en värmeplatta vid 150 ° C under 30 minuter.
  2. Insättnings material och mönsterelektronik
    1. Behandla PDMS-coated skivan med ultraviolett (UV) / ozon genom användning av en UV-lampa (8,9 mW / cm 2) under 3 min för att göra ytan hydrofil.
      OBS: Den hydrofila ytan ger jämn beläggning av ytterligare skikt på PDMS.
    2. Rotationsbestryka polyimid (PI; 2 ml) på PDMS belagda skivan, genom pipettering, vid 4000 rpm under 1 min för att bilda en 1,2-im tjockt skikt, för-baka på en värmeplatta vid 150 ° C under 5 minuter, och efter baka vid 250 ° C under 2 h.
    3. Insättning krom (Cr) under bildning av en 20 nm tjockt skikt och därefter avsätta koppar (Cu) för att bilda en 3 ^ m tjockt skikt med användning av elektronstråle (e-stråle) indunstning (bastryck: ~ 1 x 10 -7 Torr , deponeringstryck: ~ 1 × 10 -6 Torr, avsättningshastighet: 1-5 Å / s). Övervaka filmtjockleken genom avsättning kontrollergränssnitt inbäddad i förångaren.
      OBS: tjockt lager av Cu ger tillräckligt nivåer av elektrisk ledningsförmåga på mikroskala motstånd hos anordningen och tunna Cr-skiktetanvänds för att gynna vidhäftning mellan PI och Cu.
    4. Rotationsbestryka en fotoresist (2 ml) med tre steg vid 900 rpm under 10 sek, 1100 rpm i 60 sek, och 4000 rpm under 20 sekunder och sedan härda den på en värmeplatta vid 75 ° C under 30 minuter.
      OBS: De sekventiella steg som beskrivs ovan användes för att avsätta ett tjockt (> 10 ^ m) fotoresist.
    5. Rikta Cu elektroniska mönster (sensorer, fractal "Peano" design med 35 mikrometer i bredd och sammanbinder, serpentin öppen mesh design med 50 um i bredd) i mitten av Si wafer med hjälp av en UV-Aligner (effekt: 10 mW / sek) med exponeringstid 25 s.
      OBS: fraktala strukturer används för att ge överlägsen mekanisk sträckbarhet, jämfört med endast slingrande funktioner 14.
    6. Utveckla fotoresisten i en utspädd bas framkallare (1: 2 förhållande av framkallare och DI-vatten) under en minut, sköljdes med avjoniserat vatten, och torka med kväve. Inspektera mönster (Cu fraktaler och anslutningar) med hjälp av en mikroutrymme för att bekräfta funktionen storlek och hitta eventuella fel från partiklar.
      OBS: Om det finns några oönskade defekter, sedan bort fotoresist genom att skölja med aceton / IPA / DI vatten. Efter torkning med kväve, upprepa stegen från 1.2.4 till 1.2.6.
    7. Etsa Cu-lagret på Si-skivan genom nedsänkning i en våtkemisk etsmedel för ~ 6 min (10 ml; blandning av ammoniumpersulfat och vatten i förhållandet 1: 4; etsningshastighet av 8 nm / s på 40 ° C), sköljning med avjoniserat vatten och torka med kväve. Inspektera mönster med hjälp av ett mikroskop för eventuella över etsade mönster.
      OBS: Om mönstren över etsas, kan det orsaka oönskade vassa kanterna på funktioner, vilket kan leda till mekanisk fraktur under enhet hantering och tvättprocessen. De tidigare testresultaten visade att mer än ~ 20% över etsning av de ursprungliga mönster orsakade de nämnda frågorna.
    8. Etsa Cr-skiktet med reaktiv jonetsning (RIE, tryck: 300 mTorr, effekt: 200 W, CF 4 gas: 5 sccm, o 2 gas: 10 sccm) under 5 minuter. Inspektera mönster.
      OBS: För etsning av Cr-skiktet, är RIE processen att föredra att våtkemisk etsning som orsakar ogynnsam reaktion med Cu-lagret.
    9. Avlägsna förblev fotoresist på metallskikten genom nedsänkning av skivan i aceton (10 ml), IPA (10 ml), och avjoniserat vatten (20 ml), respektive. Sedan torka den med kväve.
    10. Rotationsbestryka PI (2 ml) på metall avsatt skivan, genom pipettering, vid 4000 rpm under 1 min för att bilda en 1,2-im tjockt skikt, för-baka på en värmeplatta vid 150 ° C under 5 minuter, och efter härdning vid 250 ° C under 2 h.
    11. Rotationsbestryka en fotoresist (2 ml) med tre steg vid 900 rpm under 10 sek, 1100 rpm i 60 sek, och 4000 rpm under 20 sekunder och sedan härda den på en värmeplatta vid 75 ° C under 30 minuter.
    12. Rikta PI mönster att kapsla Cu elektronik (sensorer, fractal "Peano" design med 35 mikrometer i bredd och sammanbinder, serpentin öppen mesh design med 250um i bredd) med fördefinierade Cu fraktaler och anslutningar med hjälp av en UV-Aligner (effekt: 10 mW / sek) med exponeringstiden 25 sek.
    13. Utveckla fotoresisten med en utspädd framkallare (1: 2 förhållande av framkallare och DI-vatten) under en minut, sköljdes med avjoniserat vatten, och torka med kväve. Inspektera mönster med hjälp av ett mikroskop för att bekräfta funktionen storlek och hitta eventuella fel från partiklar.
      OBS: Om det finns några oönskade defekter, sedan bort fotoresist genom att skölja med aceton / IPA / DI vatten. Efter torkning med kväve, upprepa stegen från 1.2.10 till 1.2.13.
    14. Etsa PI skikt med RIE (tryck: 170 mTorr, effekt: 150 W, O2 gas: 20 sccm) under 25 min. Inspektera mönster.
    15. Avlägsna förblev fotoresisten genom nedsänkning av skivan i aceton (10 ml), IPA (10 ml), och avjoniserat vatten (20 ml), respektive. Sedan torka den med kväve.
  3. Förbered ett elastomert membran
    1. Bered en 10 g för inkapsling silikonblandning (1:Ett volymförhållande av bas och härdare) och tillsätt en svart bläck 15 med en till en volymförhållande, som är att underlätta kontrollmätningar av temperaturvariation på huden med hjälp av en infraröd kamera.
      OBS: Utnyttjad silikon (klar inkapslande gummi) ger unika egenskaper med låg viskositet, optisk klarhet, och elektrisk isolering / skydd till enheten 16.
    2. Rotationsbestryka 8 g av blandningen i en petriskål vid 150 rpm under 1 min för att bilda en 500 | im tjock elastomermembran och härda vid RT i O / N.
      OBS: Materialet måste placeras på en plan yta för jämn tjocklek.
    3. Skär membranet in i önskad storlek på 70 mm x 30 mm genom användning av en vass rakblad och försiktigt loss den från petriskålen.
  4. Hämta och överföra elektronik
    1. Skär en vattenlöslig tejp (25 mm x 80 mm) och försiktigt laminat på de tillverkade elektroniska mönster och placera dem på en värmeplatta vid 130 ° Cför 3 minuter.
      OBS: Temperatur höjd expanderar PDMS skiktet på Si-skivan för att hjälpa dissociation av de elektroniska mönster från ytan.
    2. Lossa bandet snabbt från PDMS / Si-skivan för att hämta de elektroniska mönster.
    3. Deponera en 20 nm tjockt Cr (för vidhäftning) följt av en 50 nm tjockt kiseldioxid (SiO 2) på hämtade mönster via e-stråleförångning.
    4. Behandla UV / ozon genom användning av UV-lampa (365 nm, 8,9 mW / cm 2) på den riktade silikonmembran för 2 min för att aktivera ytan.
    5. Överför mönster till silikonmembranet genom att placera de hämtade mönster på bandet till önskad plats och jämnt tillsätta tryck från ovansidan av mönstren ned till substratet. Applicera vatten för att lösa bandet i 5 min.
      OBS: Det beskrivna förfarandet av material överföring underlättas genom kovalent bindning (Si-O-Si) mellan den deponerade kiseldioxiden och det UV-aktiverade silikonsubstrat 17
    6. Ta bort tejpen, skölj med avjoniserat vatten, och torka på en värmeplatta vid 90 ° C under 1 minut.
  5. Kapsla in enheten med ett silikonmembran
    1. Bered en 10 g inkapslande silikonblandningen (1: 1 volymförhållande av bas och härdare).
    2. Täck kabelkontaktdynor med en rektangulär PDMS stycke (22 × 6 × 1 mm 3) av van der Waals-bindning med bottensilikonmembranet, för att undvika silikon beläggning dynorna.
    3. Rotationsbestryka 5 g silikonblandningen vid 4000 rpm under 1 minut för att bilda en 5 pm tjockt skikt på de överförda elektronik och sedan härda vid RT för O / N.
  6. Anslut en flexibel bandkabel för datainsamling
    1. Applicera flytande flussmedel stål (0,5 ml), genom pipettering, på kopplingsdynorna för 3 sek för att göra ren yta.
    2. Binda en tunn, böjlig bandkabel på kontaktpunkterna med tryck vid hög temperatur (> 60 ° C). En typisk hår straightener erbjuder enkel hantering och bindning.
      OBS: mikro-film kabel är att föredra framför den konventionella hårdtrådlödning för att undvika mekanisk brytning av de överförda metallmembran på en silikon.
    3. Kontrollera den elektriska anslutningen med en digital multimeter. Motståndsvärdet förväntas mindre än 1 ohm mellan sensordynan med en ände och den andra änden av filmen kabeln (avstånd: ~ 1 cm från varandra).
    4. Binda de andra änden av bandkabeln till en anpassad tryckt kretskort med samma strategi som beskrivs i steg 1.6.2.
    5. Kontrollera den elektriska anslutningen med en digital multimeter.
    6. Anslut enheten med datainsamling hårdvara genom lödning konventionella ledningar på kretskort.

2. klinisk prövning

  1. Rengör enheten med en desinfektionslösning
    1. Bered 205 g av en utspädd desinficeringslösning (40: 1 volymförhållande av vatten och lösning).
    2. Sprayalösning (10 g) på enheten och dra det under 10 minuter.
      OBS: Den utspädda desinfektionsmedel renare kan förvaras vid rumstemperatur.
    3. Skölj med vatten tre gånger och torka den med rena vävnader.
  2. Inrätta en serie av utrustning för enhetstestning
    1. Förbered och anslut en lock-förstärkare med en strömkälla, en multiplexer, och anpassade programvara installerad på en bärbar dator för datainsamling.
    2. Placera en infraröd kamera på stativ och fokusera på ett målobjekt för termografi som referens.
    3. Ställ in systemparametrar för en inlåsningsförstärkare för att mäta värmeledningsförmågan (frekvens: 1 & 3 Hz; tidskonstant: 3 och 1 sekund, känslighet: 1 mV, dynamisk reserv: hög reserv) och temperatur (frekvens: 997 Hz; tid konstant: 300 ms, känslighet: 2 mV, dynamisk reserv: lågt brus) med den pålagda konstant ström (2 mA).
    4. Ansluta två lindade enheter, framställd genom mikro och transfertryck och monteras på såret ochkontralaterala platser, till multiplexorn höger innan du spelar in data från en patient.
  3. Spela temperatur och värmeledningsförmåga
    OBS: datainsamling programvara är skräddarsydd, som fjärrkontroll kan styra lock-förstärkare för realtidsövervakning av data och spara. I temperaturmätningen är varje datapunkt mättes var 300 msek under 20 sek. Uppsättningen av data för de första 10 sekunder och nästa 10 sekunder används för att beräkna den genomsnittliga temperaturvärdet och standardavvikelse, respektive. De inspelade data sedan sparas som en kommaseparerad värde fil, som används för att rita en graf för jämförelse med data från termografi. Vid mätningen av värmeledningsförmågan är de 3Ω signaler direkt läsa från hårdvaruskärmen (förstärkare), som sedan används för att beräkna värmeledningsförmågan analytiskt.
    1. Gnid försiktigt enhetens applikationsställen på huden med antiseptisk spritkompresser 10.
    2. 2.3.2) Laminat två enheter på de önskade huden platser genom att försiktigt trycka på anordningen på huden med fingrarna för att underlätta den mjuka bindningen: en på operationssåret platsen och den andra på den kontra plats som referens.
    3. Mät elektriska spänningen (3Ω), relaterat till värmeledningsförmåga, av anordningen genom att starta datainsamlings.
    4. Utvärdera erhållna data för att kontrollera det konforma kontakt av anordningen på huden; onormal värde (<0,1 W / mK) visar dålig kontakt av anordningen.
    5. Mät det elektriska motståndet för att bestämma temperaturfördelningen och registrera data genom anpassad mjukvara.
    6. Ta optiska och IR-bilder av två enheter på huden.
    7. Jämför temperaturvärden från IR-bilder med de uppgifter som registrerats från såret anordningen (2.3.5). Lägg båda värdena för att separera kolumner i en anpassad kalkylblad.
  4. Analysera inspelade data
    1. Exportera inspelade data tillanpassad mall för att automatiskt beräkna temperatur och värmeledningsförmåga från en matris med sensorer i anordningen.
    2. Plotta data (temperatur och värmeledningsförmåga enligt sensor plats på en annan tidsskala) för jämförelse under loppet av en månad (fyra uppsättningar av uppgifter om dag 1, 3, 15 och 30).
    3. Analysera data genom att jämföra en serie av temperatur och värmeledningsförmåga data i enlighet med tiden; Värden med plötslig höjd eller släppa berätta förändringen av sårläkningsfasen och / eller oväntad avvikelse på sårställen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 visar en översikt av egenskaperna hos det konforma, hud-liknande elektroniskt system, konstruerade för kvantitativ, kutan sårbehandling på patienter. Den multifunktionella elektronisk anordning består av mikroskala fraktala strukturer 3,14 och fiber serpentin spår 9,17 på en tunn elastomer membran som erbjuder exceptionell mekanisk töjbarhet och böjlighet. Den kompatibel enhet som är helt omsluten av silikonlager möjliggör mild, reversibel lamine på huden genom van der Waals interaktioner ensam. De unika egenskaperna hos anordningen innefatta biokompatibilitet, vattentäthet, enkel att använda, och mekanisk flexibilitet för användning i realistiska kliniska inställningar.

Integrationen av hybridmaterial såsom polymerer och en metall (silikon, polyimid och koppar) ger en elektriskt säker, vattentät, och biokompatibel anordning (Figur 2A).En array med fraktal (koppar; Cu) motstånd (35 ^ m i bredd och 3 ^ m i tjocklek) placeras i neutralt mekaniska planet, genom slutna polyimid (PI, 1,2 um i tjocklek) skikt, för att minimera tillämpas böjnings påfrestningar på kärnan material (Cu) i kliniska tillämpningar.

Den totala tjockleken av anordningen på ett silikonmembran är bara ~ 600 pm genom att erbjuda extrem böjlighet. De schematiskt i figur 2B beskriver mikroprocessen i huden liknande elektroniskt system. Tillverkningsmetoden kombinerar konventionella mikrotillverkningstekniker (metallisering, fotolitografi och etsning) med nyutvecklade transfer-trycktekniker (hämtning, överföring, och bindnings) 9,14,18,19. Denna typ av anordning kan skalas upp med hjälp av storskalig överföring utskrift med en automatiserad tryckeriutrustning 20,21.

Figur 3 sammanfattar mechanical töjbarhet och elektrisk funktionalitet huden liknande elektronik, redovisas i tidigare arbete 10. Mekanik och material studie av finita elementmetoden (FEM) ger optimal systemdesign för att rymma naturliga rörelser och tillämpad stammar, som deltar i den kliniska användningen, utan mekanisk fraktur (Figur 3A, överst). Den experimentella studie som presenterar mekanisk beteende fraktal struktur med drag stammar upp till 30% (figur 3AA, nederst) visar en god överensstämmelse med FEM resultat. Enheten med mikroskala motstånd används för kvantitativ mätning av temperatur och värmeledningsförmåga och leverera exakt, lokal uppvärmning (figurerna 3B - 3D). Kalibreringskurvan för elektrisk resistans enligt temperaturändring erhölls genom att använda en infraröd kamera och en högkänslig värmeplatta (figur 3B). Utvärderingsmetoden för den uppmätta värmeledningsförmåga varanpassad från 3 omega teknik 13 som använder 3 omega spänningssignaler vid två olika växelströmsfrekvenser (Figur 3c). Tillämpad elektrisk ström (35 mA med 10 mW) till fraktala motstånd sker Jouleuppvärmning, som erbjuder reglerbar temperatur aktivering i en terapeutisk läge (Figur 3D).

Av praktiska kliniska tillämpningar, den föreslagna rengöringsprocess av den handhållna enheten innebär desinfektion före användning på patienter. Sprutning av en desinfektionslösning på den vattentäta enheten och efter sköljning i vatten tre gånger förbereder enheten för klinisk provning (figurerna 4A och 4B). Bedömningen av kvalitativ biokompatibilitet av anordningen utnyttjar en digital kontakt mikroskop för att visuellt inspektera hudytan (Figur 4C), som undersöker den förändring av hudfärg och textur över multipla cykler av användning på patienter. En infraröd (IR) Termograferhy kan göra en kvantitativ bedömning av hudåkommor för ungefär två veckor (Figur 4D) eftersom biverkningar såsom erythema orsakar temperaturhöjning 22. De undersökta anordningar är laminerade nära de lindade vävnader och den kontralate läge (som referens). Registrering av relevanta parametrar för temperatur och värmeledningsförmåga genomförs med hjälp av ett datainsamlingssystem och IR avbildning i ett skrivsalen (figurerna 4E och 4F).

Figur 5 visar representativa uppgifter om kvantitativ mätning av kutan sårläkning på en patient från en tidigare studie 10. En serie av bilder i Figur 5A visar övervakningsprocessen av sårläkning med huden Buren anordning under loppet av en månad. Såret enhet färgats med en svart bläck laminerades nära operationssåret. Pen markerar på huden guidade monteringen av enheten på samma plats för kvantitativ dat en jämförelse från dag 1 till dag 30. Mätning av temperatur och värmeledningsförmåga variation med hjälp av en rad sensorer i anordningen och jämförelser mellan såret och referensanläggningar fångar sårläkningsfasen, inflammation (fig 5B - 5E). De mycket känsliga, sex sensorer i såret anordningen kunde fånga minimal förändring av kroppstemperatur och punkt intensiv inflammation Dag 3 (figur 5B - 5C) och spela variation av värmeledningsförmåga (figur 5D - 5E). En uppsättning referensdata mättes från kontralaterala sidan som en kontroll.

Figur 1
Figur 1. Översikt över egenskaper hos huden liknande, lindad övervakningsanordningen på en patient.> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Komponentframställning (A) Schematisk illustration av enheten layouter (vänster, lager 1:. Transparent silikon i toppen, lager 2: PI, lager 3: Cu, lager 4: PI, och skiktet 5: svart silikon på botten) och den färdiga, flexibla / töjbart elektronik (höger). (B) Illustration av steg-för-steg tillverkningsprocessen (tvärsnitt). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Enhets egenskaper (återges med tillstånd från 10. (A) Finita elementmetoden (FEM) resultat (överst) och motsvarande experimentella resultat (botten) av en fraktal struktur enligt enaxlade drag stammar upp till 30%. (B) Mätning av temperaturen med sex sensorer för enhetskalibrering. (C) Mätning av värmeledningsförmåga med tre sensorer för enhetskalibrering. (D) Termografi för den enhet som användes som en mikro-värmare med lokaliserad Jouleuppvärmning . Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Klinisk testprocessen. (A) Desinficering av enheten med en rengöringslösning.(B) Sköljning med vatten för att rengöra ytan för kliniska prövningar. (C) Skin bedömning med hjälp av en digital kontakt mikroskop (till vänster) och förstorad bild av huden (höger). (D) Termografi av huden för kvantitativ bedömning av temperatur variation. (E) klinisk miljö för sårbehandling i en tentamen. (F) Förstorad bild av laminerade enheter i närheten av såret (höger ben) och kontra plats (vänster ben) vävnader. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 5
Figur 5. Representativa data för kvantitativ förvaltning av sårläkning med enheten (återges med tillstånd från Advanced Healthcare Materials 10. (A) Bilder från såret med anordningen under loppet av en månad. (B) Registrering av temperaturfördelningen nära såret under en månad med sex sensorer i enheten (infälld). (C) Registrering av temperaturfördelningen på en kontra plats som referens. (D) Registrering av värmeledningsförmåga nära såret under en månad med tre sensorer i enheten (infälld). (E) Inspelning av värme ledningsförmåga på en kontra plats som referens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av start finansiering från Institutionen Ingenjörshögskolan, Virginia Commonwealth University och en del av elektronisk utrustning framställdes på mikrotillverkningsanläggningar i Wright Virginia Microelectronics Center. Vi erkänner forskare som gjort insatser för enheten och kliniska data (fig 3 och 5 i detta dokument), som förvärvades från den publicerade artikeln 10. W.-HY tack Yoshiaki Hattori för skräddarsydd, programvara datainsamling.

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