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

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع مستشعر قائم على الإبر المجهرية المتعددة لاستشعار الكهارل المستهدفة المختلفة عبر الجلد كهرومغناطيسياً بحيث يمكن قياسها في آن واحد. تتمثل الخطوة الأولى في تصنيع مصفوفات من الإبر المجهرية المجوفة باستخدام الليثوغرافيا القالبية وإنشاء تجاويف مصفوفة الأقطاب الكهربائية باستخدام التشغيل المجهري بالليزر. ثم يتم تحضير عجائن الكربون الفردية وملء تجاويف مصفوفة الأقطاب الكهربائية.

بعد ذلك، يتم معايرة كل من عجائن الكربون عبر نطاق من التركيزات ذات الصلة فسيولوجياً. وفي النهاية، يتم ابتكار جهاز كهركيميائي عبر الجلد داخل الجسم الحي قادر على قياس محللات متعددة في آن واحد ضمن بيئات دقيقة فسيولوجية معقدة لمجموعة من التطبيقات الطبية الحيوية. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية في القدرة على إجراء استشعار متعدد التحاليل بطريقة تدخلية محدودة.

يمكن استخدام هذا الجهاز كأداة بحثية لقياس الاستجابات الطبية الحادة، وفهم التكيفات التي تحدث أثناء التمرين البدني، ومراقبة الأمراض التي تصيب الجلد. وتمتد تطبيقات مستشعر الإبر الدقيقة InVivo هذا إلى تشخيص أورام الجلد، حيث يمكن أن تكون البيئات الدقيقة للأورام بمثابة مؤشرات على تكاثر الورم وانتشاره. هدفنا من هذا الجهاز هو استخدام مصفوفات الإبر الدقيقة كآلية تدخل أدنى للوصول إلى السائل الخلالي الجلدي لإجراء التحليل الكهركيميائي.

ابدأ باستخدام برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد SolidWorks لتصميم مصفوفة إبر مجهرية مجوفة ذات شكل مخروطي. بعد ذلك، استخدم برنامج Magic's RP 13 لتصميم هيكل دعم يوفر قاعدة تُبنى عليها الإبر المجهرية. ثم قم بالتحكم في عملية التصنيع باستخدام برنامج refactory RP.

قم بتحميل ملفي الدعامة المرتبطة ومصفوفة الإبر الدقيقة. ثم حدد عدد مصفوفات الإبر الدقيقة المراد تصنيعها، وحدد مواقع الأجهزة على لوحة التصنيع في نظام التصنيع النمطي السريع pery. اختر وضع الأشعة فوق البنفسجية عند 100 milliwatts وقم بإجراء عملية المعايرة.

تحقق من أن الانحراف في الطاقة يقع ضمن نطاق زائد أو ناقص 2 mW. بمجرد اكتمال تصنيع مصفوفة الإبر الدقيقة، قم بإزالة مصفوفة الإبر الدقيقة من اللوحة القاعدة. قم بالتظهير باستخدام الإيزوبروبانول لمدة 15 دقيقة.

بعد ذلك، جفف المصفوفات باستخدام الهواء المضغوط لضمان اكتمال عملية البلمرة. اترك الإبر المجهرية لتتصلب في درجة حرارة الغرفة لمدة 50 ثانية. ثم افحص الإبر المجهرية باستخدام المجهر الضوئي.

تحقق من أن كل تجويف في الإبر المجهرية المصنعة بالكامل مجوف وغير مسدود. اكشف عن الأسلاك النحاسية الموصلة القابلة للعنونة بشكل فردي الموجودة أسفل كابل مسطح ومرن. أنشئ أنماطاً للاستئصال بالليزر وأرسل هذه الأنماط إلى نظام الليزر.

الآن، ضع الكابلات في قالب تثبيت لمحاذاتها بشكل صحيح على لوحة الاستئصال بالليزر باستخدام نهج الرفع، وقم بإنشاء تجاويف بقطر 500 ميكرومتر في الجزء العازل من الكابل المرن. نظف الكابلات المرنة المسطحة المعدلة باستخدام فرشاة رش ترش الأسيتون عند ضغط 40 PSI، ثم اشطفها باستخدام الإيزوبروبانول والماء منزوع الأيونات تحت مجهر ضوئي.

تحقق من عدم بقاء أي غشاء عازل فوق شرائط النحاس المكشوفة. الخطوة التالية هي إنشاء تجويف تثبيت لعجائن الكربون باستخدام شريط ABL melanox الذي يحتوي على لاصق أكريليك حساس للضغط من جانب واحد، وذلك وفقاً للنمط المستخدم سابقاً لشرائط الأقطاب الكهربائية. الآن، قم بتوجيه الشريط فوق شرائط الأقطاب الكهربائية التي تمت إزالتها بالاستئصال.

اضغط الشريط لضمان الاتصال السليم. بعد ذلك، قم بإزالة الجزء الزائد من شريط melin X مزدوج الوجه، وقم بمحاذاة الشريط لتمكين الترابط بين مصفوفات الإبر المجهرية ومصفوفات قطب عجينة الكربون. اخلط 10 milligrams من glucose oxidase و 2.2 milligrams من polyethylene amine لتحضير عجينة كربون متجانسة وحساسة للجلوكوز.

ثم أضف 60 milligrams من مسحوق الروديوم على الكربون واخلطه مع 40 milligrams من الزيت المعدني. تُحفظ العجينة في درجة حرارة أربع degrees Celsius. وبالنسبة لعجينة الكربون الحساسة للـ pH، اخلط 30% من الزيت المعدني مع 70% من مسحوق الجرافيت. وباستخدام قطعة رقيقة من البلاستيك كأداة تسوية، قم بتعبئة العجينة في تجويف القطب الكهربائي حتى يتم الحصول على سطح أملس.

كرر العملية باستخدام قارب وزن نظيف ثانٍ حتى تتم إزالة المعجون الزائد. ثم اغسل باستخدام الماء منزوع الأيونات. بعد ذلك، ضع قطرة بحجم 20 µL من محلول fast blue المحضر حديثاً فوق قطب المعجون المكبوس.

بعد فترة تحضين مدتها 30 دقيقة، اشطف معجون الكربون الحساس للاكتات بالماء منزوع الأيونات. اخلط 2.5 ملليغرام من مسحوق الروديوم على الكربون مع 2.5 ملليغرام من إنزيم أكسيداز اللاكتات. بدّل بين خمس دقائق من المعالجة بالموجات فوق الصوتية وخمس دقائق من الرج الدوامي لـ خمس دورات.

ابدأ بتعبئة العجينة في تجويف القطب الكهربائي. وأخيراً، اشطفه بالماء منزوع الأيونات للكشف عن اللاكتات. قم بقياس الاستجابة الزمنية والبارامترية للمستشعر وسجل التيار بعد 15 ثانية للكشف عن الجلوكوز.

قس الاستجابة الكرونو-أمبرومترية للمستشعر لإنشاء منحنيات المعايرة لمستشعرات اللاكتات والجلوكوز على التوالي. أضف المادة المراد تحليلها المقابلة قبل القياسات الكرونو-أمبرومترية والبارامترية. بدلاً من ذلك، قم بإجراء قياسات كرونو-أمبرومترية وبارامترية بجهد ثابت مع التقليب.

اترك وقتاً كافياً بين إضافة كل مادة تحليلية لضمان استقرار التيار. ولمراقبة الـ pH، قم بإجراء مسوحات فولتامترية حلقية، وسجل قيم جهد الذروة التأكسدية. أنشئ منحنيات معايرة الـ pH عن طريق قياس موضع جهد الذروة التأكسدية في الفولتاموجرامات الحلقية المسجلة عبر سلسلة من قيم pH معروفة. تبدأ عملية بناء مستشعر قائم على الإبر الدقيقة المتعددة بتصميم مصفوفة الإبر الدقيقة في برنامج SolidWorks، ثم تصميم هياكل الدعم في برنامج magic's RP 13.

تظهر الصور المجهرية الإلكترونية الماسحة هذه مصفوفة من الإبر المجهرية وإبرة مجهرية واحدة ضمن هذه المصفوفة. يتم إنشاء منصة الاستشعار للمستشعر القائم على الإبر المجهرية باستخدام الاستئصال بالليزر لإنشاء مصفوفات الأقطاب الكهربائية في الكابل المرن المسطح، ثم ملء هذه المصفوفات بمعجون الكربون. كما يتم عرض تفاعلات التحفيز الكهربائي للجلوكوز واللاكتات جنباً إلى جنب مع معاملات التشغيل الخاصة بالكشف.

تظهر عملية المعايرة النموذجية هذه للعجينة الحساسة للاكتات باستخدام مسوحات زمنية مدتها 15 ثانية أن كل زيادة في التيار تتوافق مع إضافة 2 mM من اللاكتات. يتم استخدام مسح زمني مستمر واحد، بينما تتم معايرة المستشعر للجلوكوز عن طريق إضافة تركيزات من الجلوكوز ثم ترك التيار حتى يستقر. يوضح هذا المخطط التفاعلات التحفيزية الكهربائية للكشف عن الحموضة هنا، كما تظهر مخططات فولتامترية حلقية للإبرة الدقيقة الحساسة للـ pH في محلول منظم من الفوسفات بتركيز 0.1 M عبر أربعة محاليل مختلفة تتراوح قيم الـ pH فيها من 5 إلى 8 بزيادات قدرها وحدة واحدة.

بما أن جهد ذروة الأكسدة يتغير مع زيادة قيم pH، تُستخدم هذه الظاهرة كمؤشر لقيمة pH. وبمجرد إتقان هذه الطريقة، يمكن تصنيع هذا الجهاز بشكل صحيح في غضون يومين. وعند محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم ملاحظة أن أنواع الكربون المختلفة لن تحتفظ بانتقائيتها إذا خُلطت مع بعضها البعض.

باتباع هذا الإجراء، يمكن إضافة مسارات كربونية اختيارية إضافية إلى مصفوفة الأقطاب الكهربائية من أجل مراقبة تحاليل أخرى في الجلد. وقد يمهد تطوير هذا الجهاز الطريق للباحثين في مجال المستشعرات القابلة للارتداء لإجراء التشخيص الطبي واستكشاف تساؤلات أساسية في العلوم الطبية الحيوية.