Method Article

أجوف Microneedle المستندة إلى الاستشعار عن تعدد في الإرسال الاستشعار الكهروكيميائية عبر الجلد

DOI:

10.3791/4067

⸱

June 1st, 2012

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina and North Carolina State University, 2Department of Biosensors and Nanomaterials, Sandia National Laboratories

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تفاصيل هذه المقالة بناء جهاز استشعار microneedle القائم على المضاعفة. ويجري تطوير هذا الجهاز لأخذ العينات في الموقع وتحليل الكهروكيميائية من analytes متعددة بطريقة سريعة وانتقائية. نحن نتصور الطب السريري والبحوث الطبية الحيوية يستخدم لهذه المجسات microneedle مقرها.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويمكن وضع نظام للرصد مينيملي المضاعفة للتحليل السريع للجزيئات البيولوجية ذات الصلة تقديم الأفراد الذين يعانون من أمراض مزمنة التقييم السهل لدولتهم الفسيولوجية فوري. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون بمثابة أداة بحث لتحليل ظروف متعددة العوامل المعقدة، والطبية. من أجل هذا الاستشعار multianalyte 1 أن تتحقق، يجب أن يكون الحد الأدنى الغازية، وأخذ عينات من السائل الخلالي يجب أن يحدث من دون ألم أو أذى للمستخدم، والتحليل يجب أن يكون سريعا، فضلا عن الانتقائية.

وضعت في البداية لخالية من الألم تسليم المخدرات، وقد استخدمت microneedles لتقديم اللقاحات وكلاء الدوائية (مثل الأنسولين) من خلال الجلد. 1-2 وبما أن هذه الأجهزة الوصول إلى الفضاء الخلالي، ويمكن استخدام microneedles التي تتكامل مع microelectrodes كما عبر الجلد مجسات كهربائية. انتقائية الكشف عن الجلوكوز، اللاكتات، الغلوتامات، حوقد تجلى ydrogen بيروكسيد وحمض الاسكوربيك باستخدام متكامل microneedle-الكهربائي الأجهزة مع ألياف الكربون، معاجين الكربون تعديل، وmicroneedles البوليمر البلاتين المغلفة بمثابة عناصر transducing. 3-7،8

وقد مكن هذا تكنولوجيا الاستشعار microneedle رواية والنهج التحليلي متطورة للكشف في الموقع في وقت واحد من analytes متعددة. مضاعفة توفر إمكانية مراقبة microenvironments المعقدة، التي يصعب على خلاف ذلك لتوصيف بطريقة سريعة ومينيملي. على سبيل المثال، يمكن استخدام هذه التكنولوجيا لرصد مستويات في وقت واحد من خارج الخلية من والجلوكوز، اللاكتات ودرجة الحموضة، (9) التي هي مؤشرات التمثيل الغذائي مهم من الحالات المرضية 7،10-14 (على سبيل المثال، انتشار سرطان) والحماض ممارسة النشاط. 15

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Microneedle تلفيق

  1. باستخدام نماذج ثلاثية الأبعاد سوليدووركس البرامج (داسو Systèmes SA، VELIZY، فرنسا)، وتصميم على شكل هرمي مجموعة microneedle مجوف (الشكل 1). 3-5
  2. تصميم هيكل الدعم لمجموعة microneedle باستخدام Magics RP 13 البرمجيات (Materialise نيفادا، لوفين، بلجيكا). هيكل الدعم يسمح للراتنج في التسرب من خلال جهاز تلفيق ويوفر الأساس الذي يتم بناء على microneedles. ويرد هيكل الدعم سبيل المثال في الشكل 1.
  3. يتم تحميلها على الدعم مرتبط وملفات مجموعة microneedle في البرنامج العادي Perfactory (EnvisionTEC محدودة، Gladbeck، المانيا)، التي تسيطر على عملية التصنيع. ضمن هذه الحزمة البرمجيات، واختيار عدد من الالواح microneedle أنها ملفقة، وتحديد وضع الأجهزة على لوحة تلفيق.
  4. تشغيل في وضع معايرة الأشعة فوق البنفسجية على 180 ميغاواط لالعلاقات العامة سريع Perfactoryototyping نظام التصنيع والتحقق من الانحراف في مجال الطاقة ضمن ± 2 ميغاواط.
  5. مرة واحدة تلفيق اكتمال إزالة صفائف microneedle من اللوح الأساس وتطوير في الأيزوبروبانول لمدة 15 دقيقة. تجفيف صفائف مع الهواء المضغوط وعلاج microneedles في درجة حرارة الغرفة لمدة 50 ثانية في النظام Postcuring Otoflash (EnvisionTEC محدودة، Gladbeck، ألمانيا) لضمان البلمرة كاملة.
  6. التحقق من صحة تلفيق microneedle عن طريق الفحص المجهري والتحقق من أن كل تتحمل microneedle هو أجوف ودون عائق. وتظهر microneedles بالكامل ملفقة في الشكل 2.

2. تلفيق صالحة الكربون القطب الكهربائي لصق

  1. استخدام نموذج 60 واط 6.75 CO 2 نظام ليزر النقطية / ناقلات (العالمي ليزر سيستمز، سكوتسدايل، من الألف إلى الياء) لخفض الثقوب وفضح الكامنة وراء توجيه فردي الأسلاك النحاسية التي تربط في كابل مرنة شقة (21039-0249)، والذي كان الحصول عليها من مصدر تجاري (موليكس رابط شركة، ليسلي، IL) (الشكل 3 (A و B)). وضع كابلات مسطحة مرنة في رقصة لمحاذاة بشكل صحيح لهم على الليزر لوحة الاجتثاث. استخدام نهج rastering لإنشاء 500 تجاويف قطرها ميكرون في الجزء العازلة للكابل مرن. يتم إنشاء أنماط الاجتثاث في الطلاء (كوريل، أوتاوا، أونتاريو) وإرسالها إلى نظام ليزر.
  2. تنظيف تعديل الكابلات المرنة شقة مع البخاخة أن الرش الأسيتون في 40 PSI. الانتهاء من تنظيفها من قبل الشطف بالماء الأيزوبروبانول ومنزوع الأيونات. تحقق من تحت المجهر الذي لا يزال فيلم العازلة على شرائط النحاس عرضة للخطر.
  3. والخطوة التالية هي لخلق تجويف قابضة للتعبئة المعاجين الكربون. Melinex شريط (0.002 "سماكة المغلفة على جانب واحد مع لاصق الضغط الحساسة الاكريليك) وذاب مع نفس نمط الشرائط الكهربائي، الموجهة عبر شرائط القطب ذاب، وضغطها في 3000 رطل لمدة 2 دقيقة لضمان وجود علاقة سليمة. في هذا CAحد ذاتها، وقطر تجويف هو 750 ميكرون.
  4. وذاب بعد ذلك طبقة إضافية من الشريط Melinex (0.004 "سماكة المغلفة على الجانبين مع لاصق الضغط الاكريليك الحساسة) في نفس نمط الشريط من جانب واحد لاصق، ويستخدم بعد التوافق على السندات صفائف microneedle إلى صفائف الكربون القطب معجون .

3. توليف المعاجين الكربون الوظيفية والتعبئة من التجاويف الكهربائي

  1. يستند عجينة السكر الكربون الحساسة الخروج من وصفة السابقة ويتم الحصول عليها عن طريق خلط 10 ملغ من أوكسيديز الجلوكوز و 2.2 ملغ من بولي (ethylenimine) حتى يتم الحصول على خليط متجانس. 16 الى هذا الخليط، 60 ملغ من الروديوم على مسحوق الكربون ( يضاف 5٪ التحميل). يضاف 40 ملغ الزيوت المعدنية ويخلط في وقت لاحق. يتم تخزين المعاجين في 4 درجات مئوية حتى استخدامها؛ يتم استخدام معاجين تصل إلى أسبوع بعد إعداد.
  2. يتم الحصول على عجينة الكربون الهيدروجيني الحساسة بواسطة خلط الزيوت المعدنية 30٪ (وزن / وزن) و 70٪ (وزن / وزن) الجرافيت صowder. حزمة لصق في تجويف القطب كما هو موضح في القسم 3.4. جعل الحل من 10 ملي ملح الأزرق سريع الديازونيوم RR (4-benzoylamino-2 ،5-dimethoxybenzenediazonium كلوريد هيمي (كلوريد الزنك) الملح) في 0.5 حامض الفوسفوريك M (17).، أو مكان بنسبة 20 ميكرولتر من هذا الحل على مدى القطب عجينة معبأة لل 30 دقيقة لبالكيماويات بشكل عفوي وسريع الديازونيوم العلاقات العامة الأزرق ملح. التشطيف مع الماء منزوع الأيونات وتخزينها في المخزن أو منزوع الأيونات الماء عندما لا تكون قيد الاستعمال.
  3. يستند اكتات عجينة الكربون الحساسة الخروج من وصفة السابقة ويتم الحصول عليها عن طريق خلط 2.5 ملغ من الروديوم على مسحوق الكربون و 2.5 ملغ من أوكسيديز اللاكتات، بالتناوب بين 5 دقائق من صوتنة و 5 دقائق من vortexing لمدة خمس دورات. 18
  4. ويتم إنجاز التعبئة والتغليف من معاجين تعديل في كابل معدة مسطحة مرنة من خلال تطبيق معاجين منها أكثر من تجاويف الكهربائي. باستخدام قطعة رقيقة من البلاستيك (على سبيل المثال، على حافة قارب وزن البلاستيك)، ومجرفة وتي حزمةانه لصق حتى يتم التوصل إلى سطح أملس. كرر مع قارب نظيفة 2 وزنها حتى تتم إزالة العجينة الزائدة. تغسل بماء منزوع الأيونات. تخطيطي يظهر التذرية الليزر لخلق تجاويف، والتعبئة من معاجين الكربون، ويتم تقديم microneedle التكامل (الموصوفة في القسم 2 و 3) في الشكل رقم 3.

4. كشف ومعايرة أجهزة الاستشعار

  1. ويتم إنجاز كشف اكتات عن طريق قياس استجابة chronoamperometric من أجهزة الاستشعار في -0،15 الخامس وتسجيل الحالي بعد 15 ثانية في 0.1 م الفوسفات عازلة (الرقم الهيدروجيني = 7.5). الشكل 4 (أ) يحتوي على التخطيطي للتفاعل electrocatalytic للكشف عن اللاكتات .
  2. يتم تنفيذ الكشف عن الجلوكوز بطريقة مشابهة عن طريق قياس استجابة chronoamperometric من أجهزة الاستشعار في الخامس -0،05 وتسجيل الحالي بعد 15 ثانية في 0.1 العازلة الفوسفات M (درجة الحموضة 7.0). الشكل 4 (ب) يحتوي على التخطيطي للتفاعل electrocatalytic لل دetection من الجلوكوز.
  3. ويتم رصد درجة الحموضة عن طريق تشغيل التفحص voltammetric دوري من -0.7 V إلى 0.8 V في 100 ميجا فولت / ثانية وتسجيل موقف من احتمال ذروة الأكسدة. ويرد التخطيطي لتفاعلات الأكسدة والاختزال للكشف عن درجة الحموضة في الشكل 5.
  4. يمكن إنشاء منحنيات المعايرة لأجهزة استشعار الجلوكوز واللاكتات بواسطة الإضافات المتتالية لتحليلها كل على حدة؛ قياسات chronoamperometric يؤدون بعد كل إضافة تحليلها كما هو موضح في المقاطع 5.1 و 5.2. بدلا من ذلك، يمكن إجراء قياسات ثابتة chronoamperometric المحتملة تحت التحريك في حين يسمح الوقت الكافي (~ 10-100 ثانية) بين كل بالإضافة إلى تحليلها لتحقيق الاستقرار الحالي.
  5. يمكن إنشاء منحنيات المعايرة عن طريق قياس درجة الحموضة موقف محتمل ذروة التأكسدي على سلسلة من القيم درجة الحموضة المعروف 5-8 في 1.0 وحدة بزيادة الحموضة وتسجيل voltammograms دوري كما هو موضح في القسم 5.3.

5. ممثل الدولةsults

عند الحصول على منحنيات chronoamperometric (على سبيل المثال، للكشف عن الجلوكوز أو كشف اللاكتات) في حلول هادئة مع الكربون تعديل لصق مملوءة microneedles، سوف تنخفض الحالية فورا بناء على طلب من إمكانية الكشف عن كل منها. وسوف تتحلل في نهاية المطاف إلى قيمة حالة مستقرة. ويرد ذلك ممثل في الشكل 6، تم الحصول على هذه النتيجة في الفترة من 2 ملم من الإضافات اللاكتات والتسجيل في microneedle اللاكتات. يجب أن يكون الحل أثارت لفترة وجيزة بعد كل إضافة اللاكتات. التيار بعد 15 ثانية يرتفع على زيادة تركيز اللاكتات، ويمكن بعد ذلك للاستجابة الحالية يمكن استخدامها لتحديد تركيز اللاكتات في حل غير معروف. بدلا من ذلك، يمكن استخدام الرصد المستمر في التوصل إلى حل أثار (أو في حل المتدفقة) كما ثبت للتوصل الى حل مع زيادة تركيز الجلوكوز (الشكل 5). مرة أخرى، فإن الزيادة في الحالي على زيادة ر ويمكن استخدام هو تركيز الجلوكوز لتوحيد استجابة جلوكوز إلى حل غير معروف. ويجب أن يسمح الوقت الكافي بعد كل سنبلة من أجل السماح للحل لتحقيق الاستقرار. وتظهر voltammograms دوري في microneedle درجة الحموضة حساسة في 0.1 العازلة الفوسفات M أكثر من أربعة حلول مختلفة درجة الحموضة 5-8 في 1 زيادات وحدة الحموضة في الشكل (6). والاكسدة التحولات المحتملة الذروة مع زيادة الأس الهيدروجيني، وتستخدم هذه الظاهرة مؤشرا على قيمة الرقم الهيدروجيني.

figure-protocol-1
الشكل 1. صور من ملف المحكمة الخاصة بلبنان من الصفيف microneedle إنشاؤها في سوليدووركس (A) وشاشة الطباعة، مما يدل على هيكل الدعم (B).

figure-protocol-2
الشكل 2. مسح الميكروسكوب الالكتروني للصفيف microneedle (A) وmicroneedle واحدة ضمن هذه المجموعة (B).

معشوقة = "jove_content"> figure-protocol-3
الشكل 3. تخطيطي من شقة تجميع الكابلات المرنة. الخطوات المتبعة وتشمل تعديل كابلات مسطحة مرنة (A)، ablating الدوائر منقوشة (B)، واضاف ان طبقة Melinex ذاب في البداية، وهي مليئة عجينة الكربون (C)، وكذلك إضافة طبقة الثانية Melinex ذاب والتزاوج و microneedle مجموعة (D). انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

figure-protocol-4
الشكل 4. معايرة اكتات حساسة للعجينة مع بالاشعة 15 chronoamperometric الثانية في الخامس -0.15 في 0.1 العازلة الفوسفات م (الرقم الهيدروجيني = 7.5). كل زيادة في يتوافق الحالية إلى إضافة 2 مم من لاكتات.

figure-protocol-5
الشكل 5.

figure-protocol-6
الرقم voltammogram دوري 6. (السيرة الذاتية) من الكربون الهيدروجيني الحساسة لصق في 0.1 العازلة الفوسفات M على درجة الحموضة 5-8 في 1 زيادات وحدة الحموضة (البط البري = درجة الحموضة 8.0، أخضر = درجة الحموضة 7.0، بنفسجي = درجة الحموضة 6.0، أحمر = درجة الحموضة 5.0). تم استخدام السيرة الذاتية الخامس لتحليل مقابل جي / أجكل المرجعية وأقطاب حزب العمال عداد السلك.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

واعتبرت جوانب متعددة من تصميم هذا الاستشعار microneedle المستندة إلى تلفيق قبل الجهاز. من أجل استخدام هذا الاستشعار في الوقت الحقيقي للكشف، يجب أن يكون زمن الاستجابة للاستشعار تكون منخفضة، في هذا البروتوكول، كل مجس اختبار عرضت زمن استجابة أقل من 15 ثانية. وقد اختيرت أيضا المعاجين المستعملة في هذا البروتوكول بالنسبة الانتقائية في غضون في البيئات الحية، والتي تحتوي على الجزيئات الحيوية electroactive التي يمكن أن تتداخل مع استجابة القطب. وبالإضافة إلى لصق تكوينها، و...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

سانديا هو مختبر multiprogram التي تديرها شركة سانديا، وهي شركة لوكهيد مارتن، من أجل المتحدة أوردت وزارة الطاقة الوطنية لإدارة الأمن النووي بموجب العقد DE-AC04-94AL85000. الكتاب يقر تمويلا من مختبر سانديا الوطني مختبرات "إخراج البحث والتطوير (LDRD) برنامج.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
اسم كاشف شركة فهرس العدد
مرن كابل مسطح موليكس 3302/10SF
0،003 الشريط الجانبي "من جانب و Melinex
0.004 "الشريط مزدوجة من جانب Melinex
اكتات أوكسيديز سيغما L0638
الجلوكوز أوكسيديز سيغما G7141
الروديوم على الكربون سيغما 206164
الجرافيت مسحوق سيغما 385031000
بولي (ethylenimine) Acros 178570010
الزيوت المعدنية سيغما M5904
جلوكوز سيغما G8270
اكتات سيغما L1750
أزرق سريع RR ملح سيغما F0500
البريد شل 300 EnvisionTEC
البريد شل 200 EnvisionTEC
جي / أجكل إشارة الكهربائي باسيل MF-2052
حزب العمال الأسلاك باسيل
PGSTAT12 AutolabPotentiostat EcoChemie
Perfactory RP EnvisionTEC
Ottoflash Postcuring نظام EnvisionTEC
حامض الفوسفوريك الصياد A366-4
60W النموذجي 6.75 CO 2 نظام ليزر النقطية / ناقلات Univerسال ليزر أنظمة PLS6.75
الطلاء كوريل
سوليدووركس داسو Systèmes 2009
Magics RP13 Materialise

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Henry, S., McAllister, D. V., Allen, M. G., Prausnitz, M. R. Microfabricated microneedles: a novel approach to transdermal drug delivery. J. Pharm. Sci. 87, 922-925 (1998).
  2. Prausnitz, M. R. Microneedles for transdermal drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 56, 581-587 (2004).
  3. Miller, P. R., Gittard, S. D., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Xiao, X., Wheeler, D. R., Monteiro-Riviere, N. A., Brozik, S. M., Polsky, R., Narayan, R. J. Integrated carbon fiber electrodes within hollow polymer microneedles for transdermal electrochemical sensing. Biomicrofluidics. 5, 013415-013415 (2011).
  4. Windmiller, J. R., Zhou, N., Chuang, M. C., Valdés-Ramírez, G., Santhosh, P., Miller, P. R., Narayan, R., Wang, J. Microneedle array-based carbon paste amperometric sensors and biosensors. Analyst. 136, 1846-1851 (2011).
  5. Windmiller, J. R., Valdés-Ramírez, G., Zhou, N., Zhou, M., Miller, P. R., Jin, C., Brozik, S. M., Polsky, R., Katz, E., Narayan, R., Wang, J. Bicomponent microneedle array biosensor for minimally-invasive glutamate monitoring. Electroanal. 23, 2302-2309 (2011).
  6. Ricci, F., Moscone, D., Palleschi, G. Ex vivo continuous glucose monitoringwith microdalysis technique: The example of GlucoDay. IEEE Sensors J. 8, 63-70 (2008).
  7. Zimmermann, S., Fienbork, D., Flounders, A. W., Liepmann, D. In-device enzyme immobilization: Wafer-level fabrication of an integrated glucose. Sens. Actuat. B. 99, 163-173 (2004).
  8. Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Biomicrofluidics. 88, 739-742 (2012).
  9. Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Talanta. 88, 739-742 (2012).
  10. Rofstad, E. K. Microenvironment-induced cancer metastasis. Int. J. Radiat. Biol. 76, 589-605 (2000).
  11. Vander Heiden, M. G., Cantley, L. C., Thompson, C. B. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science. 324, 1029-1033 (2009).
  12. Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. The metabolism of tumors in the body. J. Gen. Physiol. 8, 519-530 (1927).
  13. The Tumour Microenvironment: Causes and Consequences of Hypoxia and Acidity. Novartis Foundation Symposium 240. Goode, J. A., Chadwick, D. J. , John Wiley & Sons, Ltd. (2008).
  14. Cardone, R. A., Casavola, V., Reshkin, S. J. The role of disturbed pH dynamics and the Na+/H+ exchanger in metastasis. Nature Rev. Cancer. 5, 786-795 (2005).
  15. Robergs, R. A., Ghiasvand, F., Parker, D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am. J. Phys. 287, R502-R516 (2004).
  16. Wang, J., Liu, J., Chen, L., Lu, F. Highly selective membrane-free, mediator-free glucose biosensor. Anal. Chem. 66, 3600-3603 (1994).
  17. Makos, M. A., Omiatek, D. M., Ewing, A. G., Heien, M. L. Development and characterization of a voltammetric carbon-fiber microelectrode pH sensor. Langmuir. 26, 10386-10391 (2010).
  18. Wang, J., Chen, Q., Pedrero, M. Highly selective biosensing of lactate at lactate oxidase containing rhodium-dispersed carbon paste electrodes. Anal. Chem. Acta. 304, 41-46 (1995).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Hollow Microneedle ArraysTransdermal Electrochemical SensingMultiplexed Analyte DetectionLaser MicromachiningCarbon Paste ElectrodesGlucose Lactate pH SensingSolidWorks DesignRP 13 SoftwareInterstitial Fluid SamplingMinimally Invasive Monitoring

Related Articles