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
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この作品は、工学系研究科、バージニアコモンウェルス大学および電子デバイスのいくつかのライトバージニアマイクロエレクト​​ロニクスセンターでの微細加工施設で調製したからスタートアップ資金によってサポートされていました。私たちは、掲載された記事10から取得した（本論文では図3と図5）、デバイスおよび臨床データのために貢献をした研究者を認めます。 W.-HYカスタムメイド、データ記録ソフトウェアに感謝義明服部。

図1に示す装置の製造、皮膚の積層、および特性評価のための実験、2、および4は、2つのボランティア、バージニア・コモンウェルス大学（VCU）、リッチモンド、バージニア州、米国でバイオインターフェースナノ工学研究室で行われるすべてを含みました。この研究は、VCU治験審査委員会によって承認された（プロトコル番号：HM20001454）とVCUヒューマン研究から研究のガイドラインに従いました。治験審査委員会、ノースウェスタン大学、イリノイ州シカゴ、米国で承認さ：（STU69718数） 図3と図5に示す装置および臨床データは、患者の実験はプロトコルの下で行われた発表された論文10から取得しました。 1.デバイスの製造 メモ ：図2は、全体的な製造プロセスのための概略図を示しています。 <ol><li>キャリア基板を準備します<ol><li>ダイヤモンドブレードを使用して電子機器の所望の大きさに裸のシリコン3（Si）のウェハをカット。 注：約半数Siウエハは、創傷デバイスのための理想的なサイズを提供します。 </li><li>アセトン、イソプロピルアルコール（IPA）を用いてSiウエハを脱脂。脱イオン（DI）水を用いてウェハを洗浄し、窒素で乾燥した後、3分間110℃のホットプレート上で脱水。 </li><li> 10を有するポリジメチルシロキサン（PDMS）混合物11gの調製：1体積基準の比、および硬化剤を、1時間の真空チャンバー内で混合物を脱気。 注：PDMSが乾燥パターン検索に使用され、湿式化学（アセトン）以前の研究から7ベースのアプローチよりも好ましい微細加工、後に印刷を転送しています。 </li><li>スピンコート5 1分間3000 rpmでウェハ上の混合PDMS液のグラム完全30分間150℃のホットプレート上で硬化します。 </li></ol></li><li>預金材料とパターンエレクトロニクス<ol><li> PDMS-Cトリート紫外線（UV）とoatedウエハ表面を親水性にするために3分間UVランプ（8.9ミリワット/ cm 2で）を用いて /オゾン。 注：親水性表面は、PDMS上の追加の層の均一なコーティングを提供しています。 </li><li>スピンコートポリイミド（PI; 2 ml）で5分間、150℃のホットプレート上に1.2ミクロン厚の層、プリベークを形成するために1分間、4,000rpmで、ピペッティングにより、ウエハコーティングPDMS、および後に2時間250℃で焼きます。 </li><li>預金のクロム（Cr）を20nmの厚さの層を形成した後、電子ビーム（eビーム）蒸着法を用いて、3μmの厚さの層を形成するために銅（Cu）を堆積させる（ベース圧力：約1×10 -7トル、成膜圧力：〜1×10 -6トル、蒸着速度：1 - 5 A / S）。蒸発器内に埋め込まれた堆積コントローラインタフェースによって膜厚を監視します。 注：銅の厚い層は、デバイスと薄いCr層のマイクロスケールの抵抗に電気伝導性の十分なレベルを提供PIとCuとの間の接着を促進するために使用されます。 </li><li>次に、スピンコート10秒間、60秒間1100 rpmで、20秒間4,000rpmで900 rpmで3ステップで、フォトレジスト（2 ml）を、30分間75℃でホットプレート上で硬化します。 注：上述の一連の工程は、厚い（&gt;10μm）を、フォトレジストを堆積させるために使用されました。 </li><li>紫外線露光装置を用いて、Siウエハの中央部（10ミリワット/​​秒パワー）でのCu電子パターン（幅50ミクロンと蛇行オープンメッシュ設計;幅や配線35ミクロンとフラクタル「ペアノ」設計のセンサー）を合わせます露光時間25秒で。 注：フラクタル構造は単に蛇行機能14と比較して、優れた機械的伸縮性を提供するために使用されます。 </li><li> 、分：（開発者およびDI水の2比1）DI水ですすぎ、窒素で乾燥した希釈された塩基現像にフォトレジストを開発。マイクロを使用してパターン（銅フラクタルおよび相互接続）を点検特徴サイズを確認し、微粒子から任意の欠陥を見つけるためのスコープ。 注：不要な欠陥がある場合、アセトン/ IPA / DI水ですすぐことによりフォトレジストを除去。窒素で乾燥させた後、1.2.4から1.2.6へのステップを繰り返します。 </li><li> 〜6分間湿式化学エッチング液に浸漬することにより、Siウエハ上にCu層をエッチング（10 mlで1の割合で過硫酸アンモニウムおよび水の混合物：4; 40°Cで8ナノメートル/秒のエッチング速度）、すすぎDI水で、そして窒素で乾燥しました。任意のオーバーエッチングパターンを顕微鏡を用いてパターンを検査します。 注：パターンがオーバーエッチングされている場合、それは、デバイスの取り扱い及び洗浄工程の間に機械的な破壊につながる機能の不要な鋭いエッジを引き起こす可能性があります。試験前の結果は、オーバーエッチングのオリジナルパターンの以上〜20％は、上記の問題を引き起こしたことを示しました。 </li><li> 300ミリトール、電力：200 W、CF 4ガス：5秒、圧力;反応性イオンエッチング（RIEでCr層をエッチングしますCCM、O 2ガス：5分間10 SCCM）。パターンを検査します。 注：Cr層のエッチングには、RIEプロセスは、Cu層との好ましくない反応を起こす化学エッチングを濡らすことが好ましいです。 </li><li>それぞれ、アセトンウエハ（10 ml）を、IPA（10 ml）に溶解し、脱イオン水（20ml）に浸漬することにより金属層上に残ったフォトレジストを除去します。その後、窒素でそれを乾燥させます。 </li><li>金属堆積ウエハ上のスピンコートPI（2ml）を、ピペッティングにより、1分間4000rpmで1.2ミクロンの厚さの層、プリベーク5分間150℃でホットプレート上で、ポストベーク時を形成します2時間250℃です。 </li><li>次に、スピンコート10秒間、60秒間1100 rpmで、20秒間4,000rpmで900 rpmで3ステップで、フォトレジスト（2 ml）を、30分間75℃でホットプレート上で硬化します。 </li><li>銅エレクトロニクス（センサーをカプセル化するために、PIのパターンの位置を合わせ、幅および相互接続で35ミクロンとフラクタル「ペアノ「デザイン; 250と蛇行オープンメッシュデザイン露光時間で25秒を10ミリワット/​​秒）UV露光装置（電源を使用して、事前に定義されたCuフラクタルと配線と幅ミクロン）。 </li><li> 、分：（開発者およびDI水の2比1）DI水ですすぎ、窒素で乾燥した希釈現像液を用いてフォトレジストを開発。特徴サイズを確認し、微粒子から任意の欠陥を見つけるために、顕微鏡を用いてパターンを検査します。 注：不要な欠陥がある場合、アセトン/ IPA / DI水ですすぐことによりフォトレジストを除去。窒素で乾燥させた後、1.2.10から1.2.13までの手順を繰り返します。 </li><li> 25分間のRIE（20 SCCM：170ミリトール、電力：150 W、O 2ガスの圧力）とPI層をエッチング。パターンを検査します。 </li><li>それぞれアセトンにウェハを浸漬することにより残ったフォトレジストを除去（10 ml）を、IPA（10 ml）に溶解し、脱イオン水（20mL）。その後、窒素でそれを乾燥させます。 </li></ol></li><li>エラストマー膜を準備<ol><li>シリコーン混合物（1をカプセル化の10グラムを準備します。1体積ベースと硬化剤の比）は、赤外線カメラを使用して皮膚の温度変化の制御の測定を容易にすることである一対一の体積比とブラックインク15を追加します 。 注：利用シリコーン（クリア封入ゴム）は、低粘度、光学的透明性、および装置 16に電気的絶縁/保護のユニークな特徴を提供します。 </li><li> O / N RTで​​厚さ500μmのエラストマー膜および硬化を形成するために1分間150回転でシャーレ中の混合物をスピンコート8グラム。 注：材料は、均一な厚さのために平らな表面上に配置される必要があります。 </li><li>鋭利なカミソリの刃を使用して、X 30ミリメートル70ミリメートルの所望のサイズに膜を切り、静かにペトリ皿からそれを取り外します。 </li></ol></li><li>取得し、電子機器を転送<ol><li>水溶性テープ（25ミリメートル×80 mm）をカットし、作製した電子パターン上に積層緩やかに130℃のホットプレートの上に置きます3分間。 注：温度上昇は、表面からの電子パターンの解離を助けるために、Siウエハ上にPDMS層を拡張します。 </li><li>電子パターンを取得するために、PDMS / Siウェハから急激にテープを外します。 </li><li>電子ビーム蒸着によって検索パターンに50nm厚の二酸化ケイ素（SiO 2）、続いて（接着用）厚さ20nmのCrを堆積させます。 </li><li>表面を活性化するために2分間の対象シリコーン膜上にUVランプ（365nmで、8.9ミリワット/ cm 2）を使用して、UV /オゾンを扱います。 </li><li>目的の場所にテープに検索されたパターンを配置し、均等に基板までのパターンの上面からの圧力を加えることによって、シリコーン膜にパターンを転送します。 5分間テープを溶解するために水を適用します。 注：物質移動の記載された方法は、堆積したシリコン二酸化UV活性化シリコン基板17との間の共有結合（Si-O-Si）によって促進されます</s&gt;アップ。 </li><li>テープをはがし、DI水ですすぎ、そして1分間90℃のホットプレート上で乾燥しました。 </li></ol></li><li>シリコーン膜を使用してデバイスをカプセル化します<ol><li> （：ベースと硬化剤の1の体積比1）シリコーン混合物を封入する10グラムを準備します。 </li><li>パッドを被覆するシリコーンを回避するために、下部シリコーン膜とファンデルワールス結合、によって長方形のPDMSピース（22×6×1ミリメートル3）とケーブルの接触パッドをカバー。 </li><li> 1分間4,000 rpmでシリコーン混合物5gをスピンコート転送エレクトロニクスの厚さ5μmの層を形成し、その後、O / N室温で硬化。 </li></ol></li><li>データ収集のための柔軟なリボンケーブルを接続します<ol><li>清浄な表面を作るために3秒間コネクタパッド上に、ピペットで液体鋼用フラックス（0.5ml）に、適用します。 </li><li>高温（&gt; 60℃）での圧力との接触点に薄い、柔軟なリボンケーブルを結合。典型的なヘアstraightenerは取り扱いが容易との結合を提供しています。 注：マイクロフィルムケーブルはシリコーンを転送金属膜の機械的な破壊を避けるために、従来のハードワイヤーのはんだ付けすることが好ましいです。 </li><li>デジタルマルチメータを使用して電気的接続を確認してください。 （：約1 cmで離れた距離）の抵抗値は、1つの端部とセンサパッドとフィルムケーブルの他端との間に1未満オーム期待されています。 </li><li>ステップ1.6.2で説明したのと同じ戦略でカスタマイズプリント基板にリボンケーブルのもう一方の端を結合。 </li><li>デジタルマルチメータを使用して電気的接続を確認してください。 </li><li> PCB上に、従来の配線を半田付けすることにより、データ集録ハードウェアとデバイスを接続します。 </li></ol></li></ol> 2.臨床試験<ol><li>消毒液を使用してデバイスを清掃してください<ol><li> （：水とソリューションの1の体積比40）希釈消毒液の205グラムを準備します。 </li><li>噴霧しますデバイス上の溶液（10g）を、10分間それを浸します。 注：希釈消毒洗浄剤は、室温で保存することができます。 </li><li>水で3回すすぎ、クリーンな組織でそれを乾燥させます。 </li></ol></li><li>デバイスのテストのための機器のシリーズを設定します<ol><li>準備し、電流源、マルチプレクサ、データ記録用のラップトップコンピュータにインストールされているカスタムソフトウェアとロックインアンプを接続してください。 </li><li>三脚に赤外線カメラを置き、参照としてサーモグラフィーのターゲットオブジェクトに焦点を当てています。 </li><li>セットアップロックインアンプの熱伝導率を測定するためのシステムパラメータ（周波数：1＆3ヘルツ、時定数：3と1秒、感度：1 mVで、ダイナミックリザーブ：高予備）と温度（周波数：997 Hzで、時間印加される定電流（2ミリアンペア）と低ノイズ）：定数：300ミリ秒;：;感度ダイナミックリザーブ2 mVの。 </li><li>微細転写印刷法により作製し、傷の上に取り付けられた、2傷デバイスを接続し、患者からのデータを記録する前に、マルチプレクサ右に反対サイト。 </li></ol></li><li>記録温度と熱伝導率 注：データ収集ソフトウェアは、カスタムメイドされ、遠隔リアルタイム・データ監視および保存のためのロックインアンプを制御することができます。温度測定では、各データ点は、20秒毎に300ミリ秒を測定します。最初の10秒、次の10秒間のデータのセットは、それぞれ、平均温度値と標準偏差を計算するために使用されます。記録されたデータは、赤外線サーモグラフィからのデータと比較するためのグラフをプロットするために使用されるカンマ区切り値ファイルとして保存されます。熱伝導率の測定では、3Ω信号が直接その後、分析的に熱伝導性を計算するために利用されるハードウェアの画面（アンプ）から読み出されます。 <ol><li>静かに消毒アルコール10を払拭を用いて皮膚上のデバイスの適用部位をこします。 </li><li> 2.3.2）柔らかい結合を容易にするために、指で皮膚にデバイスを押して、所望の皮膚の位置にある2つのデバイスラミネート：外科的創傷部位上の1つの基準と反対側の位置に他の。 </li><li>データ収集を開始することにより、デバイスの熱伝導率に関連した電圧（3Ω）を、測定します。 </li><li>皮膚へのデバイスのコンフォーマル接触を確認するために、得られたデータを評価します。異常値（&lt;0.1 ​​W / mKで）は、デバイスの接触不良を示しています。 </li><li>カスタムソフトウェアを介して温度分布と記録データを決定するために、電気抵抗を測定します。 </li><li>皮膚上の2つのデバイスの光学的および赤外線画像を取ります。 </li><li>創傷デバイス（2.3.5）から記録されたデータを赤外線画像から温度値を比較します。カスタマイズされたスプレッドシートで列を区切るために、両方の値を追加します。 </li></ol></li><li>記録したデータを分析<ol><li>に記録されたデータをエクスポートします。自動的にデバイス内のセンサのアレイからの温度と熱伝導率を計算するためにカスタマイズされたテンプレート。 </li><li>一ヶ月（4日間1のデータのセット、3、15、および30）にわたって比較するためのデータ（異なる時間スケール上のセンサの位置に応じて、温度および熱伝導率）をプロットします。 </li><li>温度と時間に応じて、熱伝導率の一連のデータを比較することによって、データを分析します。突然の標高値または創傷部位に相および/または予期しない異常創傷治癒の変化を教えてドロップします。 </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, electrically safe, silicone layers that completely enclose the device allows the electronics to be used for the first time in a realistic clinical setting, cutaneous wound management on patients. 
In the protocol of device preparation, the following steps are critical to enhance the fabrication yield. Wet chemical etching of the metal layer (Cu) in the device should involve extreme time control since the etching rate is faster than other metals. The major drawback of Cu over-etching is the change of the combined electrical resistance of the device, which requires additional optimization and adjustment of equipment parameters in the data acquisition system. It should be noted that multiple layers of a water soluble tape needs to be used to avoid fracture during retrieval process of the electronics dissociated from a carrying PDMS. After the transfer printing of electronics with a water soluble tape, it is very important to completely remove any residue from the dissolvable material (polyvinyl alcohol) using multiple rinsing with DI water. In the process of cable bonding to the device, extra caution is required since the device is on a highly compliant and bendable material (low-modulus silicone), while the cable is thin plastic. Thus, careless handling of the device may lead to cause fracture or plastic deformation of metal resistors.
The device characterization and evaluation reveals some limitations in the clinical use. The data acquisition process using a thin cable still requires the connection with a series of equipment, which hinders continuous, long-term recording of skin parameters, relevant to wound management. The measured electrical signals accompany the downstream analysis for diagnosis, which limits on-site/point-of-care use of the device and system. 
Further improvements of the electronic system include the development of the integration of a wireless power supply and telecommunication system with the device and smart-app interface that monitors the skin parameters, collects the data, and diagnoses automatically for alerting to medical personnel. 
In conclusion, new strategies and methods of mechanical analysis and materials processing present a class of technology to develop a conformal, skin-like electronic system for quantitative, cutaneous wound management on patients. The biocompatible, waterproof, easy-to-use, mechanically compliant device provides the functions and characteristics for the use in the clinical settings. This type of electronic system has a potential to address important issues in chronic wound management.

臨床研究および生物医学研究では、創傷治癒のモニタリングは、創傷1,2における組織形態学的変化の組織学的評価に基づいて侵襲的な方法に焦点を当てています。最近、電子技術の急速な進歩は、視覚的にデジタル画像3,4または共焦点走査顕微鏡と分光4,5を経由して、創傷治癒過程を調べることができ、高精度のイメージングと解析ツールの開発を可能にします。しかし、これらのイメージング手法は、高コスト、複雑な光学ツールや操作を必要とし、より重要なことには、患者は、試験中に固定化する必要があります。したがって、より正確な創傷管理を提供するために、簡単に使用できる、非侵襲的、定量的、安価、および多官能性であり、新しい装置およびシステムの必要性が存在します。 ここでは、温度や熱conduの正確な、リアルタイムのマッピングを提供し、皮膚のような電子システムを導入ctivityとは、非侵襲的デバイスのコンフォーマル積層を介した創傷部位での加熱の正確なレベルを提供します。このデバイスは、表皮6-9の技術、機械的および材料特性に適合するように設計されて皮膚に取り付けられた表皮電子システム（曲げ剛性、全体の厚さを、効果的な弾性率、および質量密度）のクラスを提供します。 デバイスは、患者10の臨床応用のために洗浄し、消毒することができ、生体適合性、肌に優しい、防水、および再利用可能な形で設計されています。創傷組織の近くに取り付けられたコンフォーマルな電子デバイスは水和に対応付け温度8と熱伝導率13の定量的記録を介して、創傷11,12に血流増加及び酵素反応によって引き起こされる炎症期（創傷治癒プロセスの1つ）、キャプチャ。実験と計算の研究はaccommodに最適なメカニックデザインを決定自然な動きを食べて、機械的な破壊せずに歪みを適用し、高忠実度信号の取得を提供しています皮膚の表面にコンフォーマルに積層皮膚のような電子機器の仕組みを延伸する基礎となる物理学を、キャプチャします。 この資料に記載されているプロトコルは、皮膚のような電子システム、機器の清掃、臨床現場での機器のセットアップ、および皮膚の傷の温度と熱伝導率の定量的なモニタリングのための臨床応用を含め、試験の準備のための微細加工の方法を提示します。

<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.

図1は 、患者に関する定量的、皮膚の創傷管理用に設計されたコンフォーマル、皮膚のような電子システムの特性の概要を説明します。多機能電子デバイスは、マイクロスケールのフラクタル構造3,14とフィラメント状蛇紋岩で構成されて非常に優れた機械的な伸縮性と屈曲性を提供しています薄いエラストマー膜に9,17をトレースします。完全にシリコーン層によって囲まれている対応機器だけではファンデルワールス相互作用を介して、肌に優しく、可逆積層を可能にします。デバイスのユニークな特徴は、現実的な臨床現場で使用するための生体適合性、防水性、使いやすさ、および機械的柔軟性があります。 このようなポリマーおよび金属（シリコーン、ポリイミド、および銅）などのハイブリッド材料の統合は電気的、安全、防水、および生体適合性のデバイス（ 図2A）が得られます 。フラクタルの配列（銅; Cu）の抵抗（35ミクロン幅、厚さ3μm）をコアにかかる曲げひずみを最小限にするために、層（厚さ1.2μmで、PI）囲まれたポリイミドにより、機械的中立面に配置され、臨床応用における材料（銅）。 シリコーン膜上のデバイスの全体の厚さは、極端な曲げ加工性を提供することによってのみ〜600μmです。 図2Bの概略図は、皮膚のような電子システムの微細加工プロセスを説明します。製造方法は、新たに開発された転写印刷技術（検索、転送、およびボンディング）9,14,18,19と、従来の微細加工技術（メタライゼーション、フォトリソグラフィ、エッチング）を兼ね備えています。このタイプの装置は、自動化された印刷装置20,21と、大規模な転写印刷を使用してスケールアップすることができます。 図3は MECHANICAをまとめたものLの伸縮性や肌のような電子機器の電気的な機能は、従来の研究10で報告されました。有限要素法（FEM）により力学や材料の研究では、自然な動きに対応し、機械的な破壊（ 図3A、上）なしで、臨床使用に伴う株を、適 ​​用するための最適なシステム設計を提供しています。最大30％（ 図部3Aa、下）に引っ張り株によるフラクタル構造の機械的挙動を提示した実験研究では、FEMの結果と良い一致を示しています。 （ - 3D図3B）マイクロスケールの抵抗を有するデバイスは、温度と熱伝導性と正確な、局所的な加熱を提供するの定量的測定のために使用されます。温度変化に応じて電気抵抗値の検量線は、赤外線カメラと高感度ホットプレート（ 図3B）を用いて得ました。測定された熱伝導率の評価方法であっ二つの異なる交流周波数（ 図3c）で3オメガ電圧信号を使用する3オメガ技術13から適応。フラクタルの抵抗に印加される電流は（10ミリワットで35ミリアンペア）の治療モード（ 図3D）で制御可能な温度の作動を提供ジュール加熱を、発生します。 実用的な臨床応用のために、ハンドヘルドデバイスの推奨洗浄工程は、患者に使用する前に消毒することを含みます。防水機器に消毒液を噴霧し、水で3回リンスして、次の臨床試験（ 図4Aおよび4B）するための装置を準備します。デバイスの定性的な生体適合性の評価は、視覚的に、患者への使用の複数のサイクルにわたって肌の色と質感の変化を調査する皮膚表面（ 図4C）を 、検査するためにデジタル接触顕微鏡を利用しています。赤外線（IR）thermogr​​apHYは、紅斑は、温度上昇22を引き起こすような副作用があるため約2週間（ 図4D）のための皮膚の状態の定量的評価を行うことができます。調べたデバイスは、創傷組織および（基準となる）、反対の場所の近くに積層されています。温度と熱伝導率の関連パラメータの記録は、診察室でのデータ収集システム及びIR画像（ 図4E及び4F）を用いて行われます。 図5は、従来の研究10から患者の皮膚の創傷治癒の定量的測定の代表的なデータを提示します。 図5Aの一連の写真は、1ヶ月のコース上の皮膚に取り付けられたデバイスとの創傷治癒の監視プロセスを示しています。黒インクで染色された創傷デバイスは、手術創の近くに積層しました。ペンは、定量的DATのために同じ場所にデバイスのマウントを案内され、皮膚上にマーク<html>傷や参照サイト間のデバイスと比較して、センサのアレイを使用して30日目の測定温度と熱伝導率の変化の一日1から比較が創傷治癒相をキャプチャし、炎症（ 図5（b） - （e））。熱伝導率のレコード変化（ 図5D - 5E） -創傷デバイスで、高感度、6つのセンサは、3日目（5C図5B）に体温とポイント激しい炎症の最小の変化を捉えることができました。基準データの組を対照として、反対側から測定しました。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/53037/53037fig1.jpg" /> 図患者の皮膚のような、創傷監視装置の特性の概要1。&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/53037/53037fig2.jpg" /> 図2.デバイス製造（A）左のデバイスのレイアウト（の略図;層1：上部の透明シリコーン、レイヤ2：PI、レイヤ3：銅、層4：PI、および層5：で、黒のシリコーン下部）、ステップ・バイ・ステップの製造プロセス（断面図）を完了し、柔軟な/伸縮性エレクトロニクス（右）。（B）イラスト。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53037/53037fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53037/53037fig3.jpg" /> 図3.デバイスの特性は（からの許可を得て複製し <eM&gt;高度な医療材料、3（10）、1597から1607まで、2014）10。（A）有限要素法（FEM）の結果（上）と一軸引張株まで下フラクタル構造の対応する実験結果（下）デバイスのキャリブレーションのための3つのセンサを用いて熱伝導率の30％（B）デバイスのキャリブレーションのための6つのセンサを用いた温度測定。（C）測定。（D）局部的なジュール加熱とマイクロヒータとして使用された機器の赤外線サーモグラフィ。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53037/53037fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/53037/53037fig4.jpg" /> 4.臨床試験プロセスを図。 （A）洗浄溶液を使用してデバイスの消毒。温度の定量的評価のための皮膚の（B）は、臨床試験のための表面をきれいに水ですすぎ。デジタル接触顕微鏡を用いて、（C）皮膚アセスメント（左）と皮膚の拡大図（右）。（D）赤外線サーモグラフィバリエーション。（E）試験室における創傷管理のための臨床設定。（F）傷（右足）の近くに積層デバイスの拡大写真と反対側のサイト（左足）の組織。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53037/53037fig4large.jpg" target="_blank">これの拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図。</a> <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/53037/53037fig5.jpg" /> デバイスと創傷治癒の定量的管理の図5.代表的なデータを（ アドバンスト・ヘルスケア材料から許可を得て複製し </eの6つのセンサーと1ヶ月の傷付近の温度分布のM&gt;、3（10）、1597年から1607年、2014年）10。（A）月にわたってデバイスとの傷の写真。（B）の記録熱のデバイス基準と反対側の位置の温度分布の（挿入図）。（C）記録 。デバイス内の三つのセンサ（挿入図）で1ヶ月の傷の近くに熱伝導率の（D）の記録。（E）の記録基準と反対側の位置に導電率。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53037/53037fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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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.

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

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.8K ビュー.  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. 

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Dual-mode Imaging of Cutaneous Tissue Oxygenation and Vascular Function

Accurate assessment of cutaneous tissue oxygenation and vascular function is important for appropriate detection, staging, and treatment of many health disorders such as chronic wounds. We report the development of a dual-mode imaging system for non-invasive and non-contact imaging of cutaneous tissue oxygenation and vascular function. The imaging system integrated an infrared camera, a CCD camera, a liquid crystal tunable filter and a high intensity fiber light source. A Labview interface was programmed for equipment control, synchronization, image acquisition, processing, and visualization. Multispectral images captured by the CCD camera were used to reconstruct the tissue oxygenation map. Dynamic thermographic images captured by the infrared camera were used to reconstruct the vascular function map. Cutaneous tissue oxygenation and vascular function images were co-registered through fiduciary markers. The performance characteristics of the dual-mode image system were tested in humans.

A dual-mode imaging system was developed for non-contact assessment of cutaneous tissue oxygenation and vascular function.

皮膚組織の酸素化と血管機能のデュアルモードイメージング

Accurate assessment of cutaneous tissue oxygenation and vascular function is important for appropriate detection, staging, and treatment of many health ...

医学

A Simplified Technique for Producing an Ischemic Wound Model

One major obstacle in current diabetic wound research is a lack of an ischemic wound model that can be safely used in diabetic animals. Drugs that work well in non-ischemic wounds may not work in human diabetic wounds because vasculopathy is one major factor that hinders healing of these wounds. We published an article in 2007 describing a rabbit ear ischemic wound model created by a minimally invasive surgical technique. Since then, we have further simplified the procedure for easier operation. On one ear, three small skin incisions were made on the vascular pedicles, 1-2 cm from the ear base. The central artery was ligated and cut along with the nerve. The whole cranial bundle was cut and ligated, leaving only the caudal branch intact. A circumferential subcutaneous tunnel was made through the incisions, to cut subcutaneous tissues, muscles, nerves, and small vessels. The other ear was used as a non-ischemic control. Four wounds were made on the ventral side of each ear. This technique produces 4 ischemic wounds and 4 non-ischemic wounds in one animal for paired comparisons. After surgery, the ischemic ear was cool and cyanotic, and showed reduced movement and a lack of pulse in the ear artery. Skin temperature of the ischemic ear was 1-10 &deg;C lower than that on the normal ear and this difference was maintained for more than one month. Ear tissue high-energy phosphate contents were lower in the ischemic ear than the control ear. Wound healing times were longer in the ischemic ear than in the non-ischemic ear when the same treatment was used. The technique has now been used on more than 80 rabbits in which 23 were diabetic (diabetes time ranging from 2 weeks to 2 years). No single rabbit has developed any surgical complications such as bleeding, infection, or rupture in the skin incisions. The model has many advantages, such as little skin disruption, longer ischemic time, and higher success rate, when compared to many other models. It can be safely used in animals with reduced resistance, and can also be modified to meet different testing requirements.

We have developed a minimally invasive technique to create a rabbit ischemic ear wound model by dividing the central artery and nerve and the cranial neurovascular bundle. A subcutaneous tunnel then cuts all subcutaneous tissues. This procedure causes minimal skin disruption and can be safely used in diabetic animals.

虚血性創傷モデルを作製するための簡略化手法

One major obstacle in current diabetic wound research is a lack of an ischemic wound model that can be safely used in diabetic animals. Drugs that work ...

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.

三次元の全層皮膚等価物と自動傷つけ処理の発生

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

生物工学

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.

テキスタイル上の有機電子デバイスのためのシンプルでスケーラブルな製造方法

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.

皮膚修復を正確に評価するヒトEx vivo創傷モデルと全山染色法

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

発生生物学

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.

自己組み立て型血管化ヒト皮膚等価物の生成

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.

マイクロマシンマイクロ流体プラットフォームにおける簡単な3次元スキンオンチップモデルの生成

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.

コンフォーマブルウェアラブル電極:製造から電気生理学的評価まで

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

Assessment of Acute Wound Healing using the Dorsal Subcutaneous Polyvinyl Alcohol Sponge Implantation and Excisional Tail Skin Wound Models.

Wound healing is a complex process that requires the orderly progression of inflammation, granulation tissue formation, fibrosis, and resolution. Murine models provide valuable mechanistic insight into these processes; however, no single model fully addresses all aspects of the wound healing response. Instead, it is ideal to use multiple models to address the different aspects of wound healing. Here, two different methods that address diverse aspects of the wound healing response are described. In the first model, polyvinyl alcohol sponges are subcutaneously implanted along the mouse dorsum. Following sponge retrieval, cells can be isolated by mechanical disruption, and fluids can be extracted by centrifugation, thus allowing for a detailed characterization of cellular and cytokine responses in the acute wound environment. A limitation of this model is the inability to assess the rate of wound closure. For this, a tail skin excision model is utilized. In this model, a 10 mm x 3 mm rectangular piece of tail skin is excised along the dorsal surface, near the base of the tail. This model can be easily photographed for planimetric analysis to determine healing rates and can be excised for histological analysis. Both described methods can be utilized in genetically altered mouse strains, or in conjunction with models of comorbid conditions, such as diabetes, aging, or secondary infection, in order to elucidate wound healing mechanisms.

Here, two murine wound healing models are described, one designed to assess cellular and cytokine wound healing responses and the other to quantify the rate of wound closure. These methods can be used with complex disease models such as diabetes to determine mechanisms of various aspects of poor wound healing.

後部皮下ポリビニルアルコールスポンジの移植と切除テール皮膚創傷モデルを用いた急性創傷治癒の評価

Wound healing is a complex process that requires the orderly progression of inflammation, granulation tissue formation, fibrosis, and resolution. Murine ...

免疫・感染学

バイオフィルム感染熱傷創傷研究のための長期ブタモデルの開発

Swine Model of Biofilm Infection and Invisible Wounds

Biofilm infection is a major contributor to wound chronicity. The establishment of clinically relevant experimental wound biofilm infection requires the involvement of the host immune system. Iterative changes in the host and pathogen during the formation of such clinically relevant biofilm can only occur in vivo. The swine wound model is recognized for its advantages as a powerful pre-clinical model. There are several reported approaches for studying wound biofilms. In vitro and ex vivo systems are deficient in terms of the host immune response. Short-term in vivo studies involve acute responses and, thus, do not allow for biofilm maturation, as is known to occur clinically. The first long-term swine wound biofilm study was reported in 2014. The study recognized that biofilm-infected wounds may close as determined by planimetry, but the skin barrier function of the affected site may fail to be restored. Later, this observation was validated clinically. The concept of functional wound closure was thus born. Wounds closed but deficient in skin barrier function may be viewed as invisible wounds. In this work, we seek to report the methodological details necessary to reproduce the long-term swine model of biofilm-infected severe burn injury, which is clinically relevant and has translational value. This protocol provides detailed guidance on establishing an 8 week wound biofilm infection using P. aeruginosa (PA01). Eight full-thickness burn wounds were created symmetrically on the dorsum of domestic white pigs, which were inoculated with (PA01) at day 3 post-burn; subsequently, noninvasive assessments of the wound healing were conducted at different time points using laser speckle imaging (LSI), high-resolution ultrasound (HUSD), and transepidermal water loss (TEWL). The inoculated burn wounds were covered with a four-layer dressing. Biofilms, as established and confirmed structurally by SEM at day 7 post-inoculation, compromised the functional wound closure. Such an adverse outcome is subject to reversal in response to appropriate interventions.

著者スポットライト:創傷バイオフィルム形成における宿主-微生物相互作用の研究 

Chronic wounds that are resistant to antibiotics are a major threat to the healthcare system. Biofilm infections are stubborn and hostile and can cause deficient functional wound closure. We report a clinically relevant swine model of biofilm-infected full-thickness chronic wounds. This model is powerful for mechanistic studies as well as for testing interventions.

バイオフィルム感染と不可視創傷のブタモデル

Biofilm infection is a major contributor to wound chronicity. The establishment of clinically relevant experimental wound biofilm infection requires the ...