Name: fabrication and characterization of a conformal skin-like electronic system for quantitative, cutaneous wound management
Uploaded: 2015-09-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 50 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management at JoVE.com

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.

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. <ol><li> Bereiten Sie ein Trägersubstrat<ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Kaution Materialien und Muster Elektronik <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 (&gt; 10 um) Photolack abzuscheiden. </li><li> Ausrichten Cu elektronischen Muster (Sensoren; Fraktal &quot;Peano&quot; Entwurf mit 35 &amp; mgr; m in der Breite und Zwischenverbindungen; Serpentinen offenmaschigen Design mit 50 &amp; 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Richten PI-Muster, um die Cu-Elektronik verkapseln (Sensoren, fraktale &#39;Peano&#39; Design mit 35 &amp; 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. </li><li> 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. </li><li> Ätzen der PI-Schicht mit RIE (Druck: 170 mTorr, Leistung: 150 W, O 2 -Gas 20 sccm) für 25 min. Untersuchen Sie die Muster. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Bereiten Sie eine Elastomer-Membran <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Abrufen und übertragen Elektronik <ol><li> 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. </li><li> Nehmen Sie das Band schnell von der PDMS / Si-Wafer, um die elektronischen Muster abzurufen. </li><li> Abscheiden einer 20 nm dicken Cr (Adhäsion), gefolgt von einer 50 nm dicken Siliziumdioxid (SiO 2) auf gefundenen Muster durch Elektronenstrahlverdampfung. </li><li> 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. </li><li> 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 </sup&gt;. </li><li> Ziehen Sie das Band, Spülen mit DI-Wasser, und trocknen auf einer Heizplatte bei 90 ° C für 1 min. </li></ol></li><li> Kapseln Sie das Gerät unter Verwendung einer Silikonmembran <ol><li> Bereiten Sie eine 10 g Verkapselung Silikon-Gemisch (1: 1 Volumenverhältnis von Basis und Härter). </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Schließen Sie eine flexible Flachbandkabel für die Datenerfassung <ol><li> Flüssiges Stahlflusses (0,5 ml) mit einer Pipette auf den Anschlusspads für 3 sec zu reinigende Oberfläche zu machen. </li><li> Verbinden eine dünne, flexible Flachbandkabel an den Kontaktstellen mit Druck bei hoher Temperatur (&gt; 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. </li><li> 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. </li><li> Verbinden Sie das andere Ende des Flachbandkabels, um eine kundenspezifische Leiterplatte mit in Schritt 1.6.2 beschrieben die gleiche Strategie. </li><li> Überprüfen Sie die elektrische Verbindung mit einem Digital-Multimeter. </li><li> Schließen Sie das Gerät mit der Datenerfassungshardware durch Löten herkömmlichen Leitungen auf der Leiterplatte. </li></ol></li></ol> 2. Klinische Prüfung <ol><li> Reinigen Sie das Gerät mit einer Desinfektionslösung <ol><li> Herzustellen 205 g einer verdünnten Desinfektionslösung (40: 1 Volumenverhältnis von Wasser und Lösung). </li><li> Sprühen Sie dasLösung (10 g) auf dem Gerät und legen Sie ihn für 10 Minuten. HINWEIS: Die verdünnte Desinfektionsreiniger können bei RT gelagert werden. </li><li> Spülen Sie mit Wasser dreimal und trocknen Sie es mit sauberem Gewebe. </li></ol></li><li> Richten Sie eine Reihe von Anlagen für Gerätetests <ol><li> 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. </li><li> Platzieren Sie eine Infrarot-Kamera auf einem Stativ und konzentrieren sich auf ein Zielobjekt für die Thermographie als Referenz. </li><li> 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). </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Reiben Sie die Geräteanwendung Stellen auf der Haut mit antiseptischer Alkoholtupfer 10. </li><li> 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. </li><li> Messen der elektrischen Spannung (3Ω), um die Wärmeleitfähigkeit bezogen, der Vorrichtung durch Beginn der Datenerfassung. </li><li> Auswertung der erhaltenen Daten, die einen konformen Kontakt der Vorrichtung an der Haut zu verifizieren; abnormalen Wert (&lt;0,1 W / mK) zeigt schlechten Kontakt des Gerätes. </li><li> Messen Sie den elektrischen Widerstand, um die Temperaturverteilung und die Aufzeichnungsdaten durch die kundenspezifische Software zu bestimmen. </li><li> Nehmen optischen und IR-Bilder von zwei Vorrichtungen auf der Haut. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Analysieren Sie die aufgezeichneten Daten <ol><li> Exportieren Sie die aufgezeichneten Daten auf derangepasste Vorlage auf die Temperatur und thermische Leitfähigkeit berechnet automatisch von einer Anordnung von Sensoren in der Vorrichtung. </li><li> 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). </li><li> 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. </li></ol></li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>3&quot; Silicon wafer</td><td>University Wafer, USA</td><td></td><td>Use as carrier to fabricate the device</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Scientific, USA</td><td>A18-1</td><td>Use to clean a wafer and to remove photoresist</td></tr><tr><td>Isopropanol (IPA)</td><td>Fisher Scientific, USA</td><td>A459-1</td><td>Use to clean a wafer</td></tr><tr><td>AZ4620 photoresist</td><td>AZ Electrionic Materials, USA</td><td></td><td>Use to make patterns on metals and polymers</td></tr><tr><td>AZ400K developer</td><td>AZ Electrionic Materials, USA</td><td></td><td>Use to develop AZ4620 photoresist</td></tr><tr><td>Chromium etchant</td><td>Transene, USA</td><td>1020AC</td><td>Use to etch Cr layer of device</td></tr><tr><td>Copper etchant</td><td>Transene, USA</td><td>ASP-100</td><td>Use to etch Cu layer of device</td></tr><tr><td>Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS)</td><td>Dow Corning, USA</td><td>39100000</td><td>Use as a substrate for &#039;dry&#039; retrieval</td></tr><tr><td>PI2545 polyimide</td><td>HD MicroSystem, USA</td><td></td><td>Use to encapsulate metal layer</td></tr><tr><td>Solaris</td><td>Smooth-On, USA</td><td></td><td>Use as substrate and to encapsulate device</td></tr><tr><td>Petridish</td><td>Carolina, USA</td><td>741255</td><td>Use as mold to make substrate</td></tr><tr><td>Water-Soluble Wave Solder Tape 5414</td><td>3M, USA</td><td>AM000000217</td><td>Use to retrive device from PDMS layer</td></tr><tr><td>High Activity Liquid Stainless Steel Flux</td><td>Worthington, USA</td><td>331929</td><td>Use to remove oxidation layer on Cu</td></tr><tr><td>Flexible, micro-film cable</td><td>Elform, USA</td><td></td><td>Use to make the electrical connection between the electronic device and the data acquisition system</td></tr><tr><td>pH Neutral Cleaner</td><td>Australian Gold, USA</td><td></td><td>Use as disinfectant solution to clean device in clinical testing</td></tr><tr><td>Solder</td><td>Kester, USA</td><td>24-6337-9703</td><td>Use as material to solder hard wires</td></tr><tr><td>Ultraviolet lamp</td><td>Cole-Parmer, USA</td><td>97600-00</td><td>Use to activate PDMS layer as hydrophilic surface</td></tr><tr><td>Multiplexer</td><td>FixYourBoard, USA</td><td>U802</td><td>Use to acquire measurements from six sensing components&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>DC/AC current source</td><td>Keithley, USA</td><td>6221</td><td>Use to supply current</td></tr><tr><td>SMD Digital Hot Air Rework Station</td><td>Aoyue, China</td><td>968A+</td><td>Use to solder hard wires, to electrically connect between the device and external instruments</td></tr><tr><td>Infrared camera</td><td>FLIR, USA</td><td>435-0001-01-00</td><td>Use to take infrared images in experiment</td></tr><tr><td>Digital multimeter</td><td>Fluke, USA</td><td>117</td><td>Use to check electrical connection</td></tr><tr><td>Lock-in amplifier</td><td>Stanford Research System, USA</td><td>SR830</td><td>Use to perform four-point-probe-measurement</td></tr><tr><td>Electron beam evaporator</td><td>9 scale Vacuum Products, USA</td><td></td><td>Use to deposit thin films (Cu and SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)</td></tr></tbody></table>

fabrication and characterization of a conformal skin-like electronic system for quantitative, cutaneous wound management

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.

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 eingesch...

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Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

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.

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

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of ...

fabrication-characterization-conformal-skin-like-electronic-system

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.8K Aufrufe.  Virginia Commonwealth University. 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. 

Serie: Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing

The development of a minimally invasive multiplexed monitoring system for rapid analysis of biologically-relevant molecules could offer individuals suffering from chronic medical conditions facile assessment of their immediate physiological state. Furthermore, it could serve as a research tool for analysis of complex, multifactorial medical conditions. In order for such a multianalyte sensor to be realized, it must be minimally invasive, sampling of interstitial fluid must occur without pain or harm to the user, and analysis must be rapid as well as selective.
Initially developed for pain-free drug delivery, microneedles have been used to deliver vaccines and pharmacologic agents (e.g., insulin) through the skin.1-2 Since these devices access the interstitial space, microneedles that are integrated with microelectrodes can be used as transdermal electrochemical sensors. Selective detection of glucose, glutamate, lactate, hydrogen peroxide, and ascorbic acid has been demonstrated using integrated microneedle-electrode devices with carbon fibers, modified carbon pastes, and platinum-coated polymer microneedles serving as transducing elements.3-7,8
This microneedle sensor technology has enabled a novel and sophisticated analytical approach for in situ and simultaneous detection of multiple analytes. Multiplexing offers the possibility of monitoring complex microenvironments, which are otherwise difficult to characterize in a rapid and minimally invasive manner. For example, this technology could be utilized for simultaneous monitoring of extracellular levels of, glucose, lactate and pH,9 which are important metabolic indicators of disease states7,10-14 (e.g., cancer proliferation) and exercise-induced acidosis.15

This article details the construction of a multiplexed microneedle-based sensor. The device is being developed for in situ sampling and electrochemical analysis of multiple analytes in a rapid and selective manner. We envision clinical medicine and biomedical research uses for these microneedle-based sensors.

Hohle Mikronadel-basierten Sensor für Multiplex Transdermale elektrochemische Nachweis

The development of a minimally invasive multiplexed monitoring system for rapid analysis of biologically-relevant molecules could offer individuals ...

Forschung

Biotechnik

Bridging the Bio-Electronic Interface with Biofabrication

Advancements in lab-on-a-chip technology promise to revolutionize both research and medicine through lower costs, better sensitivity, portability, and higher throughput. The incorporation of biological components onto biological microelectromechanical systems (bioMEMS) has shown great potential for achieving these goals. Microfabricated electronic chips allow for micrometer-scale features as well as an electrical connection for sensing and actuation. Functional biological components give the system the capacity for specific detection of analytes, enzymatic functions, and whole-cell capabilities. Standard microfabrication processes and bio-analytical techniques have been successfully utilized for decades in the computer and biological industries, respectively. Their combination and interfacing in a lab-on-a-chip environment, however, brings forth new challenges. There is a call for techniques that can build an interface between the electrode and biological component that is mild and is easy to fabricate and pattern.
Biofabrication, described here, is one such approach that has shown great promise for its easy-to-assemble incorporation of biological components with versatility in the on-chip functions that are enabled. Biofabrication uses biological materials and biological mechanisms (self-assembly, enzymatic assembly) for bottom-up hierarchical assembly. While our labs have demonstrated these concepts in many formats 1,2,3, here we demonstrate the assembly process based on electrodeposition followed by multiple applications of signal-based interactions. The assembly process consists of the electrodeposition of biocompatible stimuli-responsive polymer films on electrodes and their subsequent functionalization with biological components such as DNA, enzymes, or live cells 4,5. Electrodeposition takes advantage of the pH gradient created at the surface of a biased electrode from the electrolysis of water 6,7,. Chitosan and alginate are stimuli-responsive biological polymers that can be triggered to self-assemble into hydrogel films in response to imposed electrical signals 8. The thickness of these hydrogels is determined by the extent to which the pH gradient extends from the electrode. This can be modified using varying current densities and deposition times 6,7. This protocol will describe how chitosan films are deposited and functionalized by covalently attaching biological components to the abundant primary amine groups present on the film through either enzymatic or electrochemical methods 9,10. Alginate films and their entrapment of live cells will also be addressed 11. Finally, the utility of biofabrication is demonstrated through examples of signal-based interaction, including chemical-to-electrical, cell-to-cell, and also enzyme-to-cell signal transmission. 
Both the electrodeposition and functionalization can be performed under near-physiological conditions without the need for reagents and thus spare labile biological components from harsh conditions. Additionally, both chitosan and alginate have long been used for biologically-relevant purposes 12,13. Overall, biofabrication, a rapid technique that can be simply performed on a benchtop, can be used for creating micron scale patterns of functional biological components on electrodes and can be used for a variety of lab-on-a-chip applications.

This article describes a biofabrication approach: deposition of stimuli-responsive polysaccharides in the presence of biased electrodes to create biocompatible films which can be functionalized with cells or proteins. We demonstrate a bench-top strategy for the generation of the films as well as their basic uses for creating interactive biofunctionalized surfaces for lab-on-a-chip applications.

Bridging the Bio-elektronische Schnittstelle mit Biofabrication

Advancements in lab-on-a-chip technology promise to revolutionize both research and medicine through lower costs, better sensitivity, portability, and ...

A Full Skin Defect Model to Evaluate Vascularization of Biomaterials In Vivo

Insufficient vascularization is considered to be one of the main factors limiting the clinical success of tissue-engineered constructs. In order to evaluate new strategies that aim at improving vascularization, reliable methods are required to make the in-growth of new blood vessels into bio-artificial scaffolds visible and quantify the results. Over the past couple of years, our group has introduced a full skin defect model that enables the direct visualization of blood vessels by transillumination and provides the possibility of quantification through digital segmentation. In this model, one surgically creates full skin defects in the back of mice and replaces them with the material tested. Molecules or cells of interest can also be incorporated in such materials to study their potential effect. After an observation time of one&#8217;s own choice, materials are explanted for evaluation. Bilateral wounds provide the possibility of making internal comparisons that minimize artifacts among individuals as well as of decreasing the number of animals needed for the study. In comparison to other approaches, our method offers a simple, reliable and cost effective analysis. We have implemented this model as a routine tool to perform high-resolution screening when testing vascularization of different biomaterials and bio-activation approaches.

A Full Skin Defect Model to Evaluate Vascularization of Biomaterials In Vivo

Vascularization is key to approaches in successful tissue engineering. Therefore, reliable technologies are required to evaluate the development of vascular networks in tissue-constructs. Here we present a simple and cost-effective method to visualize and quantify vascularization in vivo.

Ein Vollhautdefekt Modell zur Vaskularisierung von Biomaterialien Bewerten<em&gt; In Vivo</em

Insufficient vascularization is considered to be one of the main factors limiting the clinical success of tissue-engineered constructs. In order to ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models reflect the human wound situation better than animal models. Although two-dimensional models are widely used to investigate processes such as cellular migration and proliferation, models that are more complex are required to gain a deeper knowledge about wound healing. Besides a suitable model system, the generation of precise and reproducible wounds is crucial to ensure comparable results between different test runs. In this study, the generation of a three-dimensional full thickness skin equivalent to study wound healing is shown. The dermal part of the models is comprised of human dermal fibroblast embedded in a rat-tail collagen type I hydrogel. Following the inoculation with human epidermal keratinocytes and consequent culture at the air-liquid interface, a multilayered epidermis is formed on top of the models. To study the wound healing process, we additionally developed an automated wounding device, which generates standardized wounds in a sterile atmosphere.

The goal of this protocol is to build up a three-dimensional full thickness skin equivalent, which resembles natural skin. With a specifically constructed automated wounding device, precise and reproducible wounds can be generated under maintenance of sterility.

Erzeugung eines dreidimensionalen Vollhaut Equivalent und automatisierte Verwundung

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices cannot be worn under everyday conditions. Therefore, textiles are commonly considered the best substrate to accommodate electronic devices in wearable use. In this paper, we describe how to selectively pattern organic electroactive materials on textiles from a solution in an easy and scalable manner. This versatile deposition technique enables the fabrication of wearable organic electronic devices on clothes.

In this paper, we present a protocol to selectively deposit organic materials on textiles, which allows for the direct integration of organic electronic devices with wearables. The fabricated devices can be fully integrated in textiles, respecting their mechanical appearance and enabling sensing capabilities.

Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices ...

Human Ex vivo Wound Model and Whole-Mount Staining Approach to Accurately Evaluate Skin Repair

Chronic non-healing wounds, which primarily affect the elderly and diabetic, are a significant area of clinical unmet need. Unfortunately, current chronic wound treatments are inadequate, while available pre-clinical models poorly predict the clinical efficacy of new therapies. Here we describe a high throughput, pre-clinical model to assess multiple aspects of the human skin repair response. Partial thickness wounds were created in human ex vivo skin and cultured across a healing time course. Skin wound biopsies were collected in fixative for the whole-mount staining procedure. Fixed samples were blocked and incubated in primary antibody, with detection achieved via fluorescently conjugated secondary antibody. Wounds were counterstained and imaged via confocal microscopy before calculating percentage wound closure (re-epithelialization) in each biopsy. Applying this protocol, we reveal that 2 mm excisional wounds created in healthy donor skin are fully re-epithelialized by day 4-5 post-wounding. On the contrary, closure rates of diabetic skin wounds are significantly reduced, accompanied by perturbed barrier reformation. Combining human skin wounding with a novel whole-mount staining approach allows a rapid and reproducible method to quantify ex vivo wound repair. Collectively, this protocol provides a valuable human platform to evaluate the effectiveness of potential wound therapies, transforming pre-clinical testing and validation.

Here we demonstrate an optimized technique for assessing wound repair using ex vivo human skin combined with a whole-mount staining approach. This methodology provides a pre-clinical platform for the evaluation of potential wound therapies.

Humanes Ex-vivo-Wundmodell und Whole-Mount-Färbeansatz zur genauen Bewertung der Hautreparatur

Chronic non-healing wounds, which primarily affect the elderly and diabetic, are a significant area of clinical unmet need. Unfortunately, current chronic ...

Entwicklungsbiologie

Generation of Self-assembled Vascularized Human Skin Equivalents

Human skin equivalents (HSEs) are tissue engineered constructs that model epidermal and dermal components of human skin. These models have been used to study skin development, wound healing, and grafting techniques. Many HSEs continue to lack vasculature and are additionally analyzed through post-culture histological sectioning which limits volumetric assessment of the structure. Presented here is a straightforward protocol utilizing accessible materials to generate vascularized human skin equivalents (VHSE); further described are volumetric imaging and quantification techniques of these constructs. Briefly, VHSEs are constructed in 12 well culture inserts in which dermal and epidermal cells are seeded into rat tail collagen type I gel. The dermal compartment is made up of fibroblast and endothelial cells dispersed throughout collagen gel. The epidermal compartment is made up of keratinocytes (skin epithelial cells) that differentiate at the air-liquid interface. Importantly, these methods are customizable based on needs of the researcher, with results demonstrating VHSE generation with two different fibroblast cell types: human dermal fibroblasts (hDF) and human lung fibroblasts (IMR90s). VHSEs were developed, imaged through confocal microscopy, and volumetrically analyzed using computational software at 4- and 8-week timepoints. An optimized process to fix, stain, image, and clear VHSEs for volumetric examination is described. This comprehensive model, imaging, and analysis techniques are readily customizable to the specific research needs of individual labs with or without prior HSE experience.

The goal of this protocol is to describe the generation and volumetric analysis of vascularized human skin equivalents using accessible and simple techniques for long term culture. To the extent possible, the rationale for steps is described to allow researchers the ability to customize based on their research needs.

Generierung von selbst zusammengesetzten vaskularisierten äquivalenten menschlicher Haut

Human skin equivalents (HSEs) are tissue engineered constructs that model epidermal and dermal components of human skin. These models have been used to ...

Generation of a Simplified Three-Dimensional Skin-on-a-chip Model in a Micromachined Microfluidic Platform

This work presents a new, cost-effective, and reliable microfluidic platform with the potential to generate complex multilayered tissues. As a proof of concept, a simplified and undifferentiated human skin containing a dermal (stromal) and an epidermal (epithelial) compartment has been modelled. To accomplish this, a versatile and robust, vinyl-based device divided into two chambers has been developed, overcoming some of the drawbacks present in microfluidic devices based on polydimethylsiloxane (PDMS) for biomedical applications, such as the use of expensive and specialized equipment or the absorption of small, hydrophobic molecules and proteins. Moreover, a new method based on parallel flow was developed, enabling the in situ deposition of both the dermal and epidermal compartments. The skin construct consists of a fibrin matrix containing human primary fibroblasts and a monolayer of immortalized keratinocytes seeded on top, which is subsequently maintained under dynamic culture conditions. This new microfluidic platform opens the possibility to model human skin diseases and extrapolate the method to generate other complex tissues.

Here, we present a protocol to generate a three-dimensional simplified and undifferentiated skin model using a micromachined microfluidic platform. A parallel flow approach allows the in situ deposition of a dermal compartment for the seeding of epithelial cells on top, all controlled by syringe pumps.

Generierung eines vereinfachten dreidimensionalen Skin-on-a-Chip-Modells in einer mikrobearbeiteten mikrofluidischen Plattform

This work presents a new, cost-effective, and reliable microfluidic platform with the potential to generate complex multilayered tissues. As a proof of ...

Conformable Wearable Electrodes: From Fabrication to Electrophysiological Assessment

Wearable electronic devices are becoming key players in monitoring the body signals predominantly altered during physical activity tracking. Considering the growing interest in telemedicine and personalized care driven by the rise of the Internet of Things era, wearable sensors have expanded their field of application into healthcare. To ensure the collection of clinically relevant data, these devices need to establish conformable interfaces with the human body to provide high-signal-quality recordings and long-term operation. To this end, this paper presents a method to easily fabricate conformable thin tattoo- and soft textile-based sensors for their application as wearable organic electronic devices in a broad spectrum of surface electrophysiological recordings. 
The sensors are developed through a cost-effective and scalable process of cutaneous electrode patterning using poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), the most popular conductive polymer in bioelectronics, on off-the-shelf, wearable substrates. This paper presents key steps in electrode characterization through impedance spectroscopy to investigate their performance in signal transduction when coupled with the skin. Comparative studies are required to position the performance of novel sensors with respect to the clinical gold standard. To validate the fabricated sensors' performance, this protocol shows how to perform various biosignal recordings from different configurations through a user-friendly and portable electronic setup in a laboratory environment. This methods paper will allow multiple experimental initiatives to advance the current state of the art in wearable sensors for human body health monitoring.

Two recent technologies-tattoo and textiles-have demonstrated promising results in cutaneous sensing. Here, we present the fabrication and evaluation methods of tattoo and textile electrodes for cutaneous electrophysiological sensing. These electronic interfaces made of conductive polymers outperform the existing standards in terms of comfort and sensitivity.

Anpassungsfähige tragbare Elektroden: Von der Herstellung bis zur elektrophysiologischen Bewertung

Wearable electronic devices are becoming key players in monitoring the body signals predominantly altered during physical activity tracking. Considering ...

Development of a Benchtop Model for Evaluating the Compatibility of Wound Dressing Materials with Negative Pressure Wound Therapy Systems

Negative pressure wound therapy (NPWT) systems facilitate wound healing by applying sub-atmospheric pressure to the wound bed, which promotes granulation tissue formation and reduces inflammation. Wound dressings can be used with these systems to enhance healing; however, the effects of dressings on NPWT device performance are challenging to assess. The purpose of this study was to develop a benchtop flesh analog model for testing the compatibility of wound dressing materials with NPWT devices. In this study, a chitosan-based advanced wound care device was evaluated for its effects on NPWT performance under maximum and minimum therapy pressures. The goal was to use the model to compare pressure readings and fluid collection for samples with and without the chitosan wound care device. The benchtop model was constructed using a plastic box connected to multiple pressure gauges. A circular defect was created on a piece of pork belly, used as the flesh analog, and inserted into the box. The defect was filled with standard NPWT foam or foam combined with the wound dressing. Simulated body fluid containing bovine serum was added to the box, which was then tested at either maximum (-200 mmHg) or minimum (-25 mmHg) pressures for 72 h. Pressure and fluid collection were recorded every 12 h. The NPWT system successfully maintained pressure over the 72 h test period, both with and without the test dressings. The addition of the wound dressings did not impact fluid collection. The test box proved effective as a benchtop model, as it could be sealed and maintained vacuum conditions over the 72 h testing period. This model successfully demonstrated its utility in evaluating the compatibility of wound dressing materials with NPWT systems.

This study presents a benchtop model designed to evaluate the compatibility of wound dressing materials with negative pressure wound therapy systems by assessing pressure and fluid collection over 72 h under continuous and intermittent pressure settings.

Entwicklung eines Benchtop-Modells zur Bewertung der Verträglichkeit von Wundverbandsmaterialien mit Unterdruck-Wundtherapiesystemen

Negative pressure wound therapy (NPWT) systems facilitate wound healing by applying sub-atmospheric pressure to the wound bed, which promotes granulation ...