Herstellung und Charakterisierung eines Conformal-Haut-like Electronic System for Quantitative, kutane Wundmanagement
Summary
This article presents methods to fabricate and characterize a conformal, skin-like electronic system and protocols for the use in clinical applications, particularly on cutaneous wound management.
Abstract
Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of cutaneous wound healing on the skin. Existing methods, however, still rely on visual inspections through various microscopic tools and devices that normally include high-cost, sophisticated systems and require well trained personnel for operation and data analysis. Here, we describe methods and protocols to fabricate a conformal, skin-like electronics system that enables conformal lamination to the skin surface near the wound tissues, which provides recording of high fidelity electrical signals such as skin temperature and thermal conductivity. The methods of device fabrication provide details of step-by-step preparation of the microelectronic system that is completely enclosed with elastomeric silicone materials to offer electrical isolation. The experimental study presents multifunctional, biocompatible, waterproof, reusable, and flexible/stretchable characteristics of the device for clinical applications. Protocols of clinical testing provide an overview and sequential process of cleaning, testing setup, system operation, and data acquisition with the skin-like electronics, gently mounted on hypersensitive, cutaneous wound and contralateral tissues on patients.
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
This article highlights the methods and protocols to fabricate a conformal, skin-like electronics system that enables conformal lamination near the wound tissues, which offers quantitative measurement of skin temperature and thermal conductivity mapping on the skin.
The key features include the utilization of novel techniques of materials transfer printing and hard-soft materials integration to design and develop the flexible/stretchable, soft electronic device. The use of biocompatible, elec…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 3" Silicon wafer | University Wafer, USA | N/A | 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 | N/A | Use to make patterns on metals and polymers |
| AZ400K developer | AZ Electrionic Materials, USA | N/A | 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 | N/A | Use to encapsulate metal layer |
| Solaris | Smooth-On, USA | N/A | 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 | N/A (customized) | Use to make the electrical connection between the electronic device and the data acquisition system |
| pH Neutral Cleaner | Australian Gold, USA | N/A | 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 | N/A (customized) | Use to deposit thin films (Cu and SiO2) |
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