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Jun 07, 2023

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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1644(2023) 이 기사 인용 1492 액세스 1 Altmetric Metrics 세부 정보 새로운 이식형 의료 기기에 대한 연구는 가장 매력적인 연구 중 하나입니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1644(2023) 이 기사 인용

1492 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

새로운 이식형 의료기기에 대한 연구는 생물의학 분야에서 가장 매력적이면서도 복잡한 분야 중 하나입니다. 생체 내 환경에서 작동하는 충분히 작은 장치를 설계하고 개발하는 것은 어려운 일이지만 이러한 장치를 성공적으로 캡슐화하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 유리와 티타늄을 사용하는 업계 표준 방법은 너무 비싸고 지루하며, 에폭시 또는 실리콘 캡슐화는 물이 침투하기 쉬우며 케이블 피드스루가 가장 빈번한 실패 지점입니다. 이 문서에서는 ISO10993 준수를 달성하는 회로 기판의 안정적인 캡슐화를 위한 보편적이고 간단한 방법을 설명합니다. 두 부분으로 구성된 PVDF 금형은 기존의 3축 머시닝 센터를 사용하여 가공되었습니다. 그런 다음 밀폐형 피드스루가 있는 회로 기판을 금형에 배치하고 에폭시 수지를 압력을 가하여 금형에 주입하여 캐비티를 채웠습니다. 마지막으로, 잉크로 쉽게 제형화할 수 있는 불활성 P3HT 폴리머 코팅을 사용하여 생체적합성이 더욱 향상되었습니다. 밀봉재의 생체적합성은 ISO10993에 따라 평가되었습니다. 실리콘 포팅 및 에폭시 포팅과 비교하여 제시된 솔루션의 내구성은 37°C의 인산염 완충 식염수 용액에 담가서 평가되었습니다. 제안된 방법은 PDMS와 간단한 에폭시 포팅에 비해 우수한 결과를 보였다.

최근 몇 년간 생물의학 분야 연구의 뚜렷한 부분은 주로 바이오센서 및 작동기(예: 신경자극기)와 같은 이식형 의료 기기의 개발 및 프로토타입화를 추구했습니다. 상용화된 이식형 장치에서 캡슐화에 사용되는 가장 일반적인 재료는 물 투과성과 생체 적합성이 매우 낮은 유리와 티타늄입니다1. 그러나 이러한 밀폐형 인클로저의 제작은 지루하고 비용이 많이 들며2, 특히 연구 목적으로 의도된 소형 프로토타입 실행의 경우 더욱 그렇습니다.

그러나 장치를 밀봉하는 밀폐형(또는 밀폐형에 가까운) 생체 적합성 재료를 사용하면 문제의 절반만 해결됩니다. 몇 가지 예외를 제외하고 모든 이식형 의료 장치에는 감지 요소를 주변 조직에 노출시키거나 전기 자극 신호를 전달하기 위해 케이블 피드스루가 필요합니다. 가장 중요한 문제는 전자 장치가 외부 환경과 격리되는 것입니다. 액체 유입에 대한 보호 없이 장치를 케이블로 캡슐화하는 단순한 설계는 전자 장치에 액체가 노출되기 쉽습니다. 이는 균열 및 박리와 같은 실패 모드를 감지할 수 있는 신중한 설계 선택 및 FEM 시뮬레이션을 통해 제한될 수 있습니다3.

의 리뷰 기사입니다. Ahn et al.2는 의료 기기 제조에 사용되거나 사용될 수 있는 다양한 공정 및 재료에 대한 개요를 제공합니다. 무기 재료(예: Al2O3, SiO2)는 주로 ALD("원자층 증착" 및/또는 CVD("화학 기상 증착")에 의존합니다. 이는 가격이 비싸고 널리 사용할 수 없으며 특히 소규모 프로토타입 제작 또는 일회성 프로토타입의 경우 더욱 그렇습니다. 장기 테스트에 따르면 얇은 PDMS 코팅4은 파릴렌 CVD 코팅에 의해 수행된 소위 PDMS 코킹 없이는 수분에 대한 충분한 보호 기능을 제공하지 못하는 것으로 나타났습니다. 생체 적합성 캡슐화를 위해 테스트된 다른 폴리머에는 폴리이미드(성공하려면 400°C 온도 필요)가 포함됩니다. 베어 집적 회로에 적용을 제한하는 성공적인 결합 및 압력 적용을 포함하여 열 결합이 필요한 LCP(액정 폴리머) 캡슐화 PDMS는 일반적으로 얇은 층의 스핀 코팅과 두꺼운 층의 포팅이라는 두 가지 방식으로 적용됩니다.

이식형 장치에 대한 현재의 많은 연구는 완전히 조립된 장치의 간단한 PDMS 포팅, 직접 분사 또는 브러시 코팅5,6,7에 의존합니다. 이는 임플란트의 부드럽고 외상을 입지 않는 표면을 제공하는 가장 쉬운 방법이지만 물에 대한 투과성이 매우 높아 에폭시보다 약 2000배 더 높은 본질적인 단점이 있습니다8. 또한 실리콘으로 밀봉된 피드스루를 만드는 것은 표면 에너지가 매우 낮아서 다른 재료에 대한 접착력 때문에 매우 어렵습니다9. 유연한 피드스루에 기계적 응력이 가해지면 특히 낮은 표면 에너지를 나타낼 수 있는 폴리머를 사용할 때 조기 고장이 발생할 수도 있습니다. 유리/금속/폴리머에 대한 파손 방지 접착이 필요한 경우 일반적으로 특수 접착제 또는 프라이머를 사용해야 합니다. 그러나 이로 인해 장치의 생체 적합성에 해를 끼칠 수 있는 화학 물질이 유입됩니다. 높은 수증기 투과성과 기판에 대한 낮은 접착력의 결합으로 인해 캡슐화된 전자 장치의 표면에 기포가 형성되어 물이 응결되어 조기 고장을 일으킬 수 있습니다7,10. 디지털 전자 회로에서는 누설 전류에 대한 디지털 통신 버스의 고유한 내성으로 인해 부식으로 인해 장치의 수명이 단축되더라도 보드에 일부 액체가 존재하는 경우에도 작동이 가능합니다. 그러나 높은 임피던스 입력을 가진 민감한 아날로그 회로는 작은 누설 전류로 인해 심각한 영향을 받을 수 있습니다. 또한 누설 전류는 직접적으로 더 높은 전력 소비로 이어져 배터리 수명이 단축됩니다. 인쇄회로기판이나 부품의 부식으로 인한 고장도 흔합니다7. 일부 연구에서는 장치의 모양을 제한하는 개구부11의 후속 에폭시 포팅과 함께 유리병 포장을 사용하기도 합니다.