基于中空微针的多通道透皮电化学传感传感器

摘要

本文详细介绍了基于微针的多重传感器的构建方法。该装置正在被开发用于对多种分析物进行原位采样和电化学分析，具有快速且选择性高的特点。我们预期这类基于微针的传感器将在临床医学和生物医学研究中得到应用。

摘要

开发一种用于快速分析生物学相关分子的微创多重监测系统，可为患有慢性疾病的人群提供便捷的即时生理状态评估。此外，该系统还可作为研究复杂、多因素医学状况的工具。要实现这种多分析物传感器，必须满足以下条件：具备微创性，能够无痛且安全地采集组织间液，并实现快速且高选择性的分析。

微针最初被开发用于无痛药物递送，现已用于通过皮肤递送疫苗和药理学制剂（例如胰岛素）^1-2。由于这些装置可进入皮下组织间隙，集成微电极的微针可作为经皮电化学传感器使用。已有研究证实，利用集成微针-电极装置，结合碳纤维、修饰碳糊以及镀铂聚合物微针作为换能元件，可实现对葡萄糖、谷氨酸、乳酸、过氧化氢和抗坏血酸的选择性检测^3-7,8。

这种微针传感器技术为原位同时检测多种分析物提供了一种新颖且复杂的分析方法。多重检测使得监测复杂的微环境成为可能，而这些微环境通常难以通过快速且微创的方式进行表征。例如，该技术可用于同时监测细胞外葡萄糖、乳酸和pH水平⁹，这些是疾病状态^7,10-14（如癌症增殖）和运动诱发性酸中毒¹⁵的重要代谢指标。

方案

1. 微针制备

1. 使用三维建模软件 Solidworks（Dassault Systemes SA，Velizy，法国）设计一个金字塔形状的中空微针阵列（图1）。^3-5
2. 使用 Magics RP 13 软件（Materialise NV，Leuven，比利时）为微针阵列设计支撑结构。该支撑结构可在制造过程中使树脂从装置中排出，并为微针的构建提供基底。示例支撑结构如图1所示。
3. 将关联的支撑结构与微针阵列文件上传至 Perfactory RP 软件（EnvisionTEC GmbH，Gladbeck，德国），该软件用于控制制造过程。在该软件中选择需制造的微针阵列数量，并确定装置在制造板上的位置。
4. 对 Perfactory 快速成型制造系统在紫外模式下以 180 mW 进行校准，并确认能量偏差在 ±2 mW 范围内。
5. 制造完成后，将微针阵列从基板上取下，并在异丙醇中清洗 15 分钟。用压缩空气吹干阵列，并在 Otoflash Postcuring System（EnvisionTEC GmbH，Gladbeck，德国）中于室温下固化 50 秒，以确保完全聚合。
6. 通过显微镜验证微针的制造质量，确认每根微针的孔道均为中空且无堵塞。完全制造完成的微针如图2所示。

讨论

在器件制备之前，已综合考虑了该基于微针的传感器设计的多个方面。为了实现实时检测，传感器的响应时间必须较短；在本方案中，每个测试的传感器响应时间均低于十五秒。本方案所采用的糊剂还考虑了其在体内环境中的选择性，因为体内环境含有可干扰电极响应的电活性生物分子。除了糊剂成分外，还通过选择合适的工作电位以最大限度地减少干扰性电活性物质的影响。成功制备微针阵列需要选择合适的微针结构设计和微针材料。这两个因素将决定微针是否能够穿透皮肤、保护电极免受物理损伤，并避免电极与组织直接接触。需要注意的是，测量过程中使用了外部的Ag/AgCl参比电极和Pt对电极；若将该器件用于人体或动物的体内实验，则需将这些电极集成于器件内部。

基于微针的传感器的每个组件都具有需要验证的特性，以确保其正常功能。在平面柔性电缆修饰过程中的质量控制（图3 B）包括确保激光烧蚀后镀锡铜线表面的绝缘层被完全去除（图3）。若激光烧蚀后未能完全去除铜线表面的绝缘层，可能导致因电接触不完全而产生不规则响应。激光烧蚀后的Melinex胶带需通过显微镜检.......