In this work, we demonstrated micro-patterning method on curved, sub-mm radius structures by using modified-screen printing process and sensor integrated biopsy needle with printed micro-patterns.
We successfully printed microscale patterns with various shapes on the surface of needle-like curved structures with radius of 0.5-1.0 mm. Printed patterns with Ag nano-particle paste on needle-like structures were utilized as the electrical electrodes, which was verified by electrical property measurement as well as the application for the light emitting diode (LED) operation. When the target width of line in screen mask was 100 m, the average width of printed pattern was 99.5μm with standard deviation of 15.7μm. The measured electrical resistivity of printed pattern was 7.1710 with standard deviation of 1.4710-7Ωom. Its electrical resistivity was 45 times higher than its of bulk Ag because of limitation of high porous structures of Ag nano-particle paste. However, it was successfully utilized as the electrical electrodes by showing that the LEDs operation connected by printed microscale patterns.
We used the needle with printed microelectrodes as the bioimpedance sensor integrated biopsy needle. In order to verify the feasibility of bioimpedance sensor, we demonstrated conductance measurement of saline solution with various concentrations, repeatability test, calibration error test and real-time impedance monitoring during the needle insertion. In conductance measurement of saline solution, we demonstrated that impedance sensor on biopsy needle was stably operated by showing measured conductance was almost constant. In case of the repeatability test, we showed that our sensor could have stable repeatability during 30min operation with error less than 2.5%. In regard of calibration error, we could successfully calibrate the measured resistance/conductance to resistivity/conductivity with error less than 3%. Also, we demonstrated availability of real-time sensing by using compounds with dielectric and conductive materials. From the result of experiments, we showed that fabricated bioimpedance sensor integrated biopsy needle can measure the impedance of its surrounding materials in real-time with high accuracy.
We measured bioimpedances of various tissues in order to demonstrate that the bioimpedance can analyze or differentiate different tissues. Real-time tissue discrimination during needle insertion through porcine meat was successfully carried out. During needle insertion from muscle to fat tissue, measured conductivity near impedance sensor was changed from 0.3 S/m to 0.09 S/m and its results were consistent with previous reports.Also, impedance differences between normal and chemically damaged tissues were measured and relation between structural change and impedance difference was analyzed by histological assessment. Decellularized tendon model was used in experiment and measured conductance of decellularized tendon was 1.3-1.5 times higher than that of normal tendon. In histological assessment we saw that there were higher cavities between tissue in decelluarized tendon model and it was reason of conductance difference.
본 연구에서는 수정 스크린 프린팅 방법을 이용해 곡률 반경 1mm 이하의 곡면 구조 위에 마이크로 패터닝을 진행하는 것과 이를 통해 센서가 집적된 생검 바늘을 개발하였다.
본 연구에서는 반경이 0.5-1.0mm의 바늘 형상의 곡면 구조의 표면에 다양한 형태를 갖는 마이크로 크기의 패턴을 성공적으로 프린팅하였다. 은 나노 입자 페이스트를 이용해 바늘 위에 프린팅된 패턴은 전극으로 활용되었으며, 이는 전기적 특성 분석과 발광다이오드 동작을 통해 전극으로 사용 가능함을 확인하였다. 스크린 마스크 위 패턴의 목표 치수가 100μm일 때, 프린팅된 패턴의 평균 폭은 99.5μm이며 표준편차는 15.7μm였다. 측정한 패터닝한 전극의 전기적 비저항은 7.17x10-7Ωom이었으며 표준편차는 1.47x10-7Ωom이었다. 이는 벌크 상태의 은에 비해 45배 높은 값인데 이는 은 나노 입자 페이스트가 갖는 다공성 구조의 한계이다. 하지만 프린팅된 마이크로 크기의 패턴으로 이어진 발광다이오드를 작동시키는 데 성공함으로써 전극으로 활용할 수 있음을 성공적으로 확인하였다.
바늘위에 프린팅된 전극은 생체임피던스 센서로 활용을 하였다. 생체임피던스 센서의 사용가능성을 보이기 위하여, 다양한 농도를 갖는 소금물의 전도도 측정, 반복 측정 가능성 분석, 보정 오차 분석 그리고 바늘 삽입에 따른 실시간 임피던스 관찰을 진행하였다. 소금물의 전도도 측정 경우, 측정 전도도가 일정하게 관측됨을 통해 생검 바늘 위의 임피던스 센서가 안정적으로 활용될 수 있음을 보였다. 반복 측정 가능성의 경우 30분 간의 측정 동안 2.5% 이내의 측정 오차가 보임을 확인하였다. 보정 오차와 관련해서는, 저항/전도도를 비저항/비전도도로 보정하는 과정에서 3% 이내의 오차를 보여 성공적으로 보정 과정이 가능함을 보였다. 또한, 비전도체와 전도체가 섞인 복합체를 이용하여 실시간 측정 가능함을 확인하였다. 위 실험 들을 통해 생체임피던스 센서가 집적된 생검 바늘이 바늘 주변의 물질을 높은 정확도로 실시간 측정이 가능함을 보였다.
생체임피던스가 집적된 바늘로 서로 다른 생체 조직을 분석하거나 구별할 수 있음을 보이기 위해 다양한 생체 조직의 생체임피던스를 측정하였다. 돼지고기를 바늘로 찔러들어감에 따라 실시간 조직의 분석을 성공적으로 실시하였다. 근육 조직에서 지방 조직으로 바늘이 찔러들어가는 동안 측정된 임피던스 센서 주변의 전도도 값은 0.3 S/m에서 0.09 S/m로 변화하였으며, 이는 기존의 보고된 연구 결과와 일치하였다. 또한, 정상 및 화학물질을 통해 손상된 조직 사이의 임피던스 차이를 측정하였고, 조직 내 구조 변화와 임피던스의 차이의 관계를 병리조직학적 분석을 통해 규명하였다. 탈세포화된 힘줄 모델을 실험에 사용하였으며, 탈세포화된 힘줄이 정상에 비해 1.3-1.5배 가량 높은 전도도 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 병리조직학적 분석을 통했을 때, 탈세포화된 힘줄에서 더 많은 빈 공간이 있는 것을 확인할 수 있었으며 이것이 전도도의 차이의 주된 원인이라 파악했다.
