定量的、皮膚が創傷管理のためのコンフォーマルスキンのような電子システムの作製と評価
2015年9月2日
この記事は、臨床応用、特に皮膚創傷管理で使用するための、コンフォーマルで皮膚のような電子システムとプロトコルを作製し、特徴付ける方法を紹介します。
この手順の全体的な目標は、定量的な皮膚創傷管理のための皮膚のような電子機器を製造することです。これは、まずキャリア基板上に電子デバイスを開発することで実現されます。2番目のステップは、電子機器を埋め込むためのエラストマー膜を準備することです。
次に、作製したエレクトロニクスを作製コンパウンドから取り出し、メンブレンに転写します。最後のステップは、電子機器をシリコンコーティングで囲み、データ収集用のフレキシブルケーブルを接続することです。完成したデバイスは、患者の創傷組織の近くにラミネートされ、時間、温度、組織の熱伝導率を変化させて創傷管理として監視します。
顕微鏡による目視検査に基づく既存のツールに対するこのデバイスの主な利点は、創傷組織の近くの温度と熱伝導率を多機能に定量的に監視できることです。ソフトバイオコンパチブルでスキンウェアラブルデバイスは、臨床現場での使用のための機能と特性を提供し、慢性創傷管理の重要な問題に対処する大きな可能性を秘めています。このスピンコーティングプロトコルは、あらゆるサイズのシリコンウェーハに実行できます。
まず、ウェーハをアセトンとイソプロピルアルコールで脱脂します。次に、脱イオン水ですすぎ、窒素下で乾燥させます。110°Cに設定したホットプレートでウェーハを3分間脱水します。
次に、5グラムのPDMSを3000RPMでウェーハにスピンコートします 1分間、摂氏150度に設定されたホットプレートでウェーハを30分間硬化させてプロセスを完了します。PDMSコーティングされたウェーハを3分間UV処理した後、ウェーハにポリアミドをスピンコートします。ピペットで2ミリリットルを適用し、1.2ミクロンの層に対して1分間4, 000 RPMで回転させます。
次に、150°Cのホットプレートでウェーハを5分間事前に焼き、250°Cのオーブンで2時間焼きます。次に、電子ビーム蒸着堆積物を使用して、接着のために厚さ20ナノメートルのクロム層を使用し、続いて導電性のために厚さ3ミクロンの銅層を使用します。次に、2ミリリットルのフォトレジストをウェーハに3ステップでスピンコし、10ミクロン未満の層を作ります。
次に、摂氏75度のホットプレートでウェーハを30分間硬化させます。次に、毎秒10ミリワットのUVアライナーを使用して、銅の電子パターンをウェーハの中央に配置します。露光時間は25秒です。
フラクタルパターンを使用してセンサーを作成し、相互接続用にオープンメッシュを作成します。33%現像液でフォトレジストを1分間現像します。次に、チップを脱イオン水ですすぎ、窒素流で乾燥させます。
先に進む前に、顕微鏡でパターンに欠陥がないか確認してください。次に、化学エッチングで6分間の浴を使用してウェーハに銅をエッチングします。エッチング後、ウェーハをすすぎ、乾燥させます。
以前と同様に、銅の20%以上のエッチングが機械的な故障につながる顕微鏡でエッチングされたパターンを確認します。クロム層をエッチングするには、5分間の反応性イオンエッチングを使用します。エッチングを確認した後、残りのフォトレジストを10ミリリットルのアセトンで除去し、続いて10ミリリットルのイソプロパノールで除去します。
そして第三に、20ミリリットルの脱イオン水。窒素流下でウェーハを乾燥させることにより、浴に続きます。このプロトコルでは、電子機器が幅10cmのシャーレに移されるターゲット材料に対して、10グラムのカプセル化シリコーン混合物を作成します。
スピンコート、150RPMで1分間8グラムの混合物。半ミリメートルのシリコーンコーティング用。これを室温で一晩硬化させます。
次に、サイズサイズの水溶性テープをパターンチップに貼り付けて、電子パターンのラミネート面として機能します。テープを貼付後、ウェハを130°Cで3分間加熱します。次に、テープをすばやく剥がして、電子機器を取り出しパターンに取り戻します。
電子ビーム蒸着を使用して20ナノメートルのクロムを堆積させ、接着力を高めます。次に、50ナノメートルの二酸化ケイ素をクロム層に堆積させます。次に、シリコーン層を取り出し、365ナノメートルのUV光で8.9ミリワット/平方センチメートルで2分間処理します。
これにより、シリコーンが活性化された状態で表面が活性化されます。取り出した電子機器をシリコンに押し込み、ターゲット材料に均等に広げます。その後、テープを水で処理して溶かし、5分後にテープをはがします。
次に、シリコンを脱イオン水ですすぎ、摂氏90度のホットプレートで1分間乾燥させます。デバイスを作成するには、まず、Vander Wallの接着力を使用して、コンタクトパッドを長方形のPDMSで覆います。今転送エレクトロニクスSpincoに4、000 RPMでカプセル化されたシリコーン混合物の5グラムを1分間。
これにより、厚さ5ミクロンの層ができ、室温で一晩硬化します。翌日、センサーパッドを半ミリリットルの液体鋼フラックスで3秒間清掃します。次に、フレキシブルリボンケーブルを60°Cを超える圧力と熱で接点に接着します。
マルチメーターで接続を確認してください。センサーパッドとフィルムケーブルの間の抵抗は、1センチメートル離れている必要があり、同じようにリボンケーブルのもう一方の端をカスタマイズされた回路基板にオームボンドで固定する必要があります。最後に、従来のワイヤをPCBにはんだ付けして、デバイスをデータ収集ハードウェアに接続します。
記載されたプロトコルを用いて、電子センサデバイスを作製した。デバイスの柔軟性が検討されました。引張ひずみによる機械的破壊は発生せず、装置は機能していた。
6つのセンサー位置の抵抗は、高精度のホットプレートを使用して測定されました。センサーが微妙な温度変化を検出するように十分に調整されていることを示す線形関係がありました。さらに、適合した3オメガ信号を使用して、臨床現場でのデバイスの熱伝導率を評価しました。
この装置は、手術後の創傷治癒を最大1ヶ月間モニターするために使用されました。このようにして、創傷治癒過程の温度を測定した。3日目に創傷部位に激しい炎症が見られ、これはデバイスによって測定された温度スパイクに反映されています。
このビデオを見れば、患者の定量的創傷管理のための共形虚血性電気デバイスの作製方法について十分に理解できるはずです。
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概要
本記事では、臨床応用、特に皮膚創傷管理のための、皮膚に密着するコンフォーマルな電子システムの作製および特性評価の方法を提示します。このデバイスは、創傷治癒に関連するさまざまなパラメータをモニタリングするように設計されています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 生物医学工学
- 創傷管理
- 電子デバイス
背景
- 皮膚のような電子デバイスは、患者ケアを向上させることができます。
- 創傷治癒のモニタリングは、効果的な治療において極めて重要です。
- 既存の手法では、リアルタイムのデータ収集が不十分な場合があります。
- 材料科学の進歩により、新たなデバイス作製技術が可能になります。
研究目的
- 定量的皮膚創傷管理のための皮膚様電子デバイスを開発すること。
- 創傷状態のリアルタイムモニタリングを実現すること。
- データ収集の強化を通じて臨床成績を向上させること。
使用方法
- キャリア基板上での電子デバイスの作製。
- 電子デバイスを埋め込むためのエラストマー膜の調製。
- 作製した電子デバイスの膜への転写。
- シリコンコーティングによる電子デバイスの封止と、データ収集用フレキシブルケーブルの接続。
主な結果
- 本デバイスにより、時間、温度、および組織の熱伝導率のモニタリングに成功した。
- 創傷管理において、リアルタイムでのデータ収集が達成された。
- 皮膚様電子システムは、創傷組織との適合性を示した。
- 予備試験を通じて、臨床応用への有効性が検証された。
結論
- 開発されたデバイスは、創傷管理に対する新しいアプローチを提供します。
- リアルタイムモニタリングにより、患者の転帰を改善できる可能性があります。
- 今後の研究により、この技術の臨床応用がさらに拡大することが期待されます。
よくある質問
産業上の重要性
創傷管理のための定量的で皮膚のような電子システムは、皮膚治癒の客観的かつリアルタイムなモニタリングへのニーズに応え、主観的な視覚的検査への依存を軽減します。この技術により、創傷部位における温度と熱伝導率の高精度な測定が可能になり、創傷の進行状況や介入タイミングに関する予測の信頼性が向上します。このようなデバイスを研究開発パイプラインに組み込むことで、デバイスのプロトタイピングから臨床的検証までのトランスレーショナルな連続性が強化されます。
バイオファーマ研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 定量的かつ熱的・導電的な測定により、創傷治癒ダイナミクスの客観的な評価を可能にします。
- 生理学的変化とデバイスの読み取り値を相関させることで、メカニズム面のデリスキングをサポートします。
- 前臨床および臨床における創傷治癒ターゲットの機能的検証を促進します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 創傷治癒への介入策を評価するための、標準化され再現性のあるプラットフォームを提供します。
- 化合物や治療法をまたいだ比較分析に適した定量的出力を提供します。
- 前臨床および臨床研究の両環境において、アッセイのスケールアップと再利用を可能にします。
トランスレーショナルおよび前臨床研究
- デバイスの出力を、局所温度や組織導電率などの臨床的に重要なバイオマーカーと整合させます。
- ベンチトップでのデバイス特性評価から、患者ベースの創傷モニタリングまでの連続性をサポートします。
- リアルタイムで実行可能なデータを提供することにより、リスクを調整した進展判断に情報を与えます。
パイプラインおよびワークフローの統合
この皮膚様電子システムは、デバイスの作製と特性評価から臨床的な創傷モニタリングに至る一連の流れに適合し、初期の発見からトランスレーショナルリサーチへの架け橋となります。
- 探索生物学：創傷部位のパラメータを定量的に測定することで、仮説検定および生物学的なリスク低減が可能になります。
- スクリーニング：デバイス出力を標準化することで、介入 efficacy の再現性のある評価が容易になります。
- 分析：高精度な温度および導電率データにより、堅牢な統計的比較が可能になります。
- トランスレーショナルリサーチ：臨床設定におけるデバイス性能により、バイオマーカーの一致と前臨床から臨床への連続性が確保されます。
- エンタープライズ再利用：プラットフォームの柔軟性と再利用性により、創傷管理研究における幅広いアプリケーションへの適用がサポートされます。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 創傷治癒研究における予測の信頼性を高め、メカニズムに関する曖昧さを軽減する。
- 運用の価値： デバイスを用いた創傷評価における標準化、再現性、および拡張性を促進する。
- 戦略的価値： データに基づいたゴー/ノーゴー判断を可能にし、創傷ケアポートフォリオにおけるリソース配分を最適化する。
- ポートフォリオへの影響： 創傷管理介入およびデバイス・イノベーションにおける、リスク調整後の優先順位付けを支援する。
実施上の考慮事項
- 微細加工、材料科学、およびデバイス統合に関する専門知識が必要です。
- スピンコーティング、電子ビーム蒸着、およびデータ収集インフラへのアクセスが必要です。
- デバイスの作製および臨床展開に向けた、チーム間での標準化が求められます。
- プロトコルの調整により、さまざまな創傷モデルや患者集団に適応可能です。
- 制限事項として、多様な臨床シナリオにおける校正およびバリデーションの必要性が挙げられます。
