Fabbricazione di elettrodi bene sulla punta dell'ago ipodermico utilizzando Photoresist Spray rivestimento e Photomask flessibile per applicazioni biomediche
Summary
Il metodo di fabbricazione per elettrodi interdigitating bene (gap e larghezza: 20 µm) sulla punta di un ago ipodermico (diametro: 720 µm) è dimostrata usando un rivestimento di spruzzo e film flessibile photomask nel processo di fotolitografia.
Abstract
Abbiamo introdotto un metodo di fabbricazione per la spettroscopia ad impedenza elettrica (EIS) – su – un-needle (EoN: EIS-su-un-ago) per individuare i tessuti bersaglio nel corpo misurando ed analizzando le differenze di impedenza elettrica tra biotessuti dissimili. Questo articolo descrive il metodo di fabbricazione di elettrodi interdigitating bene (IDI) sulla punta di un ago ipodermico con un rivestimento di spruzzo di photoresist e film flessibile photomask al processo di fotolitografia. Un polietilene tereftalato (PET) tubo termoretraibile (HST) con uno spessore di parete di 25 µm è impiegato come lo strato di isolamento e passivazione. L’HST PET mostra una maggiore durabilità meccanica rispetto ai polimeri poly(p-xylylene), che sono stati ampiamente usati come materiale di rivestimento dielettrico. Inoltre, l’HST dimostra buona resistenza chimica alla maggior parte di acidi e basi, che è vantaggioso per limitare i danni chimici per la EoN. L’uso della EoN è particolarmente comodo per la caratterizzazione dei prodotti chimici/biomateriali o fabbricazione usando i prodotti chimici di base/acido. Il fabbricato gap e la larghezza delle Idi sono così piccoli come 20 µm, e il generale larghezza e lunghezza delle Idi sono 400 µm e 860 µm, rispettivamente. Il margine di fabbricazione dalla punta dell’ago ipodermico (distanza tra la punta dell’ago ipodermico e punto di partenza delle Idi) è piccolo come 680 µm, che indica quello invasione inutilmente eccessivo in biotessuti può essere evitata durante la misurazione dell’impedenza elettrica. La EoN ha un alto potenziale per l’uso clinico, come per le biopsie della tiroide e anestesia drug delivery in uno spazio spinale. Ulteriormente, anche in chirurgia che coinvolge la resezione parziale dei tumori, l’EoN può essere impiegato per conservare come tessuto molto normale possibile rilevando il margine chirurgico (tessuto normale che viene rimosso con l’asportazione chirurgica di un tumore) tra il normale e tessuti di lesione.
Introduction
Aghi ipodermici sono ampiamente utilizzati negli ospedali per le biopsie e drug delivery, perché sono poco costosi e facili da usare. Hanno anche proprietà meccaniche eccellenti, nonostante il loro diametro sottile e affilato struttura adatte ad un invasione. Durante la biopsia, i tessuti di destinazione vengono campionati nell’incavo dell’ago ipodermico con ecografia guida1. Anche se l’ecografia è priva di radiazioni, sicuro per i feti e donne incinte e fornisce in tempo reale immagini, è difficile vedere gli organi che sono profonde all’interno del corpo, specialmente nel caso di pazienti obesi, perché le onde ultrasoniche non possono penetrare aria o tessuti grassi2. Inoltre, un chirurgo non può acquisire le informazioni di profondità dall’ecografia bidimensionale che convenzionalmente è utilizzata nella maggior parte degli ospedali, con conseguente necessità di biopsie multiple se i medici mancano di abilità o esperienza. Nella somministrazione di farmaci per l’anestesia spinale, i medici determinare che l’ago ha raggiunto lo spazio spinale se il liquido cerebrospinale (CSF) scorre all’indietro nella siringa mentre si inserisce con attenzione l’ago nella schiena del paziente. Dopo aver confermato il reflusso di CSF, la droga di anestesia viene iniettata lo spazio spinale3. Tuttavia, i medici rischiano di penetrare o tagliare le fibre nervose nello spazio spinale, causando forti dolori ai pazienti e persino paraplegia4,5. Così, questa procedura richiede anche un abile medico. Una soluzione per superare e mitigare le difficoltà di cui sopra è quello di aggiungere una funzione di navigazione per l’ago ipodermico così che possano essere fornite informazioni oggettive sulla posizione dell’ago. Questo aiuterebbe un medico prontamente eseguire una biopsia, consegna della droga e anche un intervento chirurgico senza fare affidamento sul loro giudizio empirico solo.
Al fine di localizzare elettricamente i tessuti di destinazione nel corpo, un ago ipodermico che incorporano una spettroscopia di impedenza elettrica sensore (EIS) è stato introdotto come EIS-su-un-ago (EoN)6. Il sensore EIS è attualmente utilizzato nel campo dell’ingegneria biomedica per applicazioni quali DNA rilevamento7,8,9, batteri/virus rilevazione10,11,12 , analisi su tessuti o cellule13,14,15,16,17,18,19,20 e , 21 , 22. the EoN può discriminare tra materiali dissimili in un dominio di frequenza basato sui loro conduttività elettrica e la costante dielettrica. La capacità di discriminazione dell’EoN è stata verificata per vari livelli di concentrazione di tampone fosfato salino (PBS)23, suino grasso/muscolo tessuti6,23e nemmeno umana normale/cancro renale tessuti24 ,25. Questa capacità della EoN dovrebbe aumentare notevolmente la precisione di biopsia individuando i tessuti di destinazione basati sulle differenze di impedenza elettrica tra i tessuti della lesione bersaglio e i tessuti normali adiacenti. In modo simile, differenze d’istruttore nell’impedenza elettrica tra l’iniezione di droga spazio (spazio spinale o epidurale) e dei tessuti circostanti può aiutare i medici a consegnare un farmaco di anestesia nella posizione di destinazione esatta. Inoltre, l’EoN può essere utilizzato per stimolare elettricamente il cervello/muscolo pure come per determinare un margine chirurgico ottimo durante interventi chirurgici che coinvolgono la resezione parziale di un tumore, quale il nephrectomy parziale, per preservare come tessuto molto normale come possibile.
Una delle maggiori sfide nella realizzazione dell’EoN è la fabbricazione di elettrodi sulla superficie curva di un ago ipodermico avendo un piccolo raggio di curvatura. Patterning metallo diretto utilizza un processo di fotolitografia convenzionale è stato considerato come inadatto per la fabbricazione di elettrodi di micro-imprese su un substrato curvo con un diametro di alcuni millimetri o di meno. Finora, vari metodi, tra cui conformal stampa26, flessibile a secco film photoresist27, la microfluidica metodo28, nanostampa Litografia29e substrato-rotante Litografia30, sono state introdotto per fabbricare modelli di metallo/polimero su una superficie curva. Tuttavia, ci sono ancora limitazioni a causa delle esigenze di EoN, come il substrato necessaria con un diametro inferiore a 1 mm, lunghezza totale elettrodo di 20 mm o più, la larghezza e la distanza degli elettrodi che vanno in decine di micrometri e produzione ad alto volume.
Nello studio presente, campitura diretta metallo impiegando rivestimento di spruzzo di photoresist ed un photomask film flessibile si propone di realizzare micro-imprese elettrodi sulla superficie curva di un ago ipodermico. Il diametro dell’ago è piccolo come 720 µm (22-gauge), che è ampiamente usato per le biopsie e la consegna di droga negli ospedali. Il rendimento di produzione del metodo proposto fabbricazione anche viene valutato per determinare la fattibilità di produzione all’ingrosso ad un prezzo abbordabile.
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo dimostrato quello photolithography mediante verniciatura a spruzzo e un photomask pellicola è un metodo fattibile per fabbricare IDEs bene sulla superficie curva di un ago ipodermico con un piccolo diametro di meno di 1 mm. La larghezza e il divario delle Idi sono bassi quanto 20 µm, e il margine di fabbricazione dalla punta è piccolo come 680 µm. All’interno del protocollo, il processo di allineamento, compresa la rimozione di errore di Cuneo, è un passo fondamentale. Il rendimento di produzione era oltre i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dal progetto “Ricerca biomedica di tecnologia integrata” attraverso una sovvenzione fornito da GIST nel 2017.
Materials
| Heat shrink tube | VENTION MEDICAL, Inc. | 103-0655 | |
| Hypodermic needle (22G) | HWAJIN MEDICAL co. ltd | – | http://www.hwajinmedical.com |
| Heat gun | Weller | WHA600 | http://www.weller-tools.com/en/Home.html |
| Ultrasonic cleaner | HWASHIN INSTRUMENT CO, LTD. | POWERSONIC 620- | http://www.hwashin.net |
| Hotplate | AS ONE Corporation | 006560 | |
| Sputtering | A-Tech System. Ltd. | ATS/SPT/0208F | http://www.atechsystem.co.kr |
| Glass slide | Paul Marienfeld GmbH & Co. KG | 1000412 | |
| Spray coater | LITHOTEK | LSC-200 | |
| Photoresist | AZ electronic materials | GXR 601 | http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html |
| Developer (solution) | AZ electronic materials | MIF 300 | http://www.merck-performance-materials.com/en/index.html |
| Aligner | MIDAS SYSTEM CO.,Ltd. | MDA-400M | http://www.midas-system.com |
| Microscope | NIKON Corporation | L200 | http://www.nikonmetrology.com |
| Au wet etchant | TRANSENE COMPANY, Inc. | Au etchant type TFA | http://transene.com |
| Cr wet etchant | KMG Electronic. Chemicals, Inc. | CR-7 | http://kmgchemicals.com |
| Au target | Thin films and Fine Materials | – | http://www.thifine.co.kr |
| Cr target | Thin films and Fine Materials | – | http://www.thifine.co.kr |
| Argon gas (99.999%) | SINIL Gas Co.Ltd | – | http://www.sigas.kr |
| Acetone solution | OCI Company Ltd | – | http://www.ocicorp.co.kr/company/index.asp |
| Impedance analyzer | Gamry Instruments Inc | Reference 600 | https://www.gamry.com |
| Height Controller | Mitutoyo Corporation | 192-613 | |
| Phosphate buffered saline | Life Technologies Corporation | 10010023 |
References
- Knappe, M., Louw, M., Gregor, R. T. Ultrasonography-guided fine-needle aspiration for the assessment of cervical metastases. Arch Otolaryngol Head Neck Surg. 126 (9), 1091-1096 (2000).
- Paladini, D. Sonography in obese and overweight pregnant women: clinical, medicolegal and technical issues. Ultrasound Obstet Gynecol. 33 (6), 720-729 (2009).
- Okuda, Y., Mishio, M., Kitajima, T., Asai, T. Cremasteric reflex test as an objective indicator of spinal anaesthesia. Anaesthesia. 55 (6), 587-589 (2000).
- Pryle, B., Carter, J., Cadoux-Hudson, T. Delayed paraplegia following spinal anaesthesia. Anaesthesia. 51 (3), 263-265 (1996).
- SJÖSTRÖM, S., Bläss, J. Severe pain in both legs after spinal anaesthesia with hyperbaric 5% lignocaine solution. Anaesthesia. 49 (8), 700-702 (1994).
- Yun, J., et al. Electrochemical impedance spectroscopy with interdigitated electrodes at the end of hypodermic needle for depth profiling of biotissues. Sens Actuator B-Chem. 237, 984-991 (2016).
- Ye, W. W., Shi, J. Y., Chan, C. Y., Zhang, Y., Yang, M. A nanoporous membrane based impedance sensing platform for DNA sensing with gold nanoparticle amplification. Sens Actuator B-Chem. 193, 877-882 (2014).
- Wang, L., et al. A novel electrochemical biosensor based on dynamic polymerase-extending hybridization for E. coli O157: H7 DNA detection. Talanta. 78 (3), 647-652 (2009).
- Tran, H., et al. An electrochemical ELISA-like immunosensor for miRNAs detection based on screen-printed gold electrodes modified with reduced graphene oxide and carbon nanotubes. Biosens Bioelectron. 62, 25-30 (2014).
- Nguyen, B. T., et al. Membrane-based electrochemical nanobiosensor for the detection of virus. Anal Chem. 81 (17), 7226-7234 (2009).
- Tian, F., Lyu, J., Shi, J., Tan, F., Yang, M. A polymeric microfluidic device integrated with nanoporous alumina membranes for simultaneous detection of multiple foodborne pathogens. Sens Actuator B-Chem. 225, 312-318 (2016).
- Chan, K. Y., et al. Ultrasensitive detection of E. coli O157: H7 with biofunctional magnetic bead concentration via nanoporous membrane based electrochemical immunosensor. Biosens Bioelectron. 41, 532-537 (2013).
- Giaever, I., Keese, C. R. A morphological biosensor for mammalian cells. Nature. 366 (6455), 591 (1993).
- Lu, Y. -. Y., Huang, J. -. J., Huang, Y. -. J., Cheng, K. -. S. Cell growth characterization using multi-electrode bioimpedance spectroscopy. Meas Sci Technol. 24 (3), 035701 (2013).
- Müller, J., Thirion, C., Pfaffl, M. W. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) based real-time measurement of titer dependent cytotoxicity induced by adenoviral vectors in an IPI-2I cell culture model. Biosens Bioelectron. 26 (5), 2000-2005 (2011).
- Nordberg, R. C., et al. Electrical Cell-Substrate Impedance Spectroscopy Can Monitor Age-Grouped Human Adipose Stem Cell Variability During Osteogenic Differentiation. Stem Cells Transl Med. , (2016).
- Messina, W., Fitzgerald, M., Moore, E. SEM and ECIS Investigation of Cells Cultured on Nanopillar Modified Interdigitated Impedance Electrodes for Analysis of Cell Growth and Cytotoxicity of Potential Anticancer Drugs. Electroanalysis. 28 (9), 2188-2195 (2016).
- Abdolahad, M., et al. Single-cell resolution diagnosis of cancer cells by carbon nanotube electrical spectroscopy. Nanoscale. 5 (8), 3421-3427 (2013).
- Lee, H., et al. An endoscope with integrated transparent bioelectronics and theranostic nanoparticles for colon cancer treatment. Nat Commun. 6, 10059 (2014).
- Haemmerich, D., Schutt, D. J., Wright, A. S., Webster, J. G., Mahvi, D. M. Electrical conductivity measurement of excised human metastatic liver tumours before and after thermal ablation. Physiol Meas. 30 (5), 459 (2009).
- Prakash, S., et al. Ex vivo electrical impedance measurements on excised hepatic tissue from human patients with metastatic colorectal cancer. Physiol Meas. 36 (2), 315 (2015).
- Yun, J., Kim, H. W., Kim, H. -. I., Lee, J. -. H. Electrical impedance spectroscopy on a needle for safer Veress needle insertion during laparoscopic surgery. Sens Actuator B-Chem. 250, 453-460 (2017).
- Yun, J., Kim, H. W., Lee, J. -. H. Improvement of Depth Profiling into Biotissues Using Micro Electrical Impedance Spectroscopy on a Needle with Selective Passivation. Sensors. 16 (12), 2207 (2016).
- Yun, J., et al. Micro electrical impedance spectroscopy on a needle for ex vivo discrimination between human normal and cancer renal tissues. Biomicrofluidics. 10 (3), 034109 (2016).
- Kim, H. W., Yun, J., Lee, J. Z., Shin, D. G., Lee, J. H. Evaluation of Electrical Impedance Spectroscopy-on-a-Needle as a Novel Tool to Determine Optimal Surgical Margin in Partial Nephrectomy. Adv Healthc. , (2017).
- Wu, H., et al. Conformal Pad-Printing Electrically Conductive Composites onto Thermoplastic Hemispheres: Toward Sustainable Fabrication of 3-Cents Volumetric Electrically Small Antennas. PLoS One. 10 (8), e0136939 (2015).
- Ahn, C., et al. Direct fabrication of thin film gold resistance temperature detection sensors on a curved surface using a flexible dry film photoresist and their calibration up to 450° C. C. J Micromech Microeng. 23 (6), 065031 (2013).
- Goluch, E. D., et al. Microfluidic method for in-situ deposition and precision patterning of thin-film metals on curved surfaces. Appl Phys Lett. 85 (16), 3629-3631 (2004).
- Hu, X., et al. A degradable polycyclic cross-linker for UV-curing nanoimprint lithography. J Mater Chem C. 2 (10), 1836-1843 (2014).
- Wu, J. -. T., Lai, H. -. C., Yang, S. -. Y., Huang, T. -. C., Wu, S. -. H. Dip coating cooperated with stepped rotating lithography to fabricate rigid microstructures onto a metal roller. Microelectron Eng. 87 (11), 2091-2096 (2010).
