复透皮电化学传感的空心微针为基础的传感器
2012年6月1日
本文详细介绍了建设一个复用微针为基础的传感器。该设备正在研制多种分析快速和选择性地在现场采样和电化学分析。我们设想，临床医学和生物医学研究，这些微针为基础的传感器使用。
该程序的总体目标是制造一个基于多路复用微针的传感器，用于可同时测量的各种靶细胞的透皮电化学检测。第一步是使用神秘的光刻技术制造空心微针阵列，并使用激光微米加工创建电极阵列腔。然后准备单独的碳浆并填充电极阵列腔。
接下来，在一系列生理相关浓度上校准每个碳糊。最终，创造了一种透皮体内电化学装置，能够在复杂的生理微环境中同时测量多种分析物，用于一系列生物医学应用。您现有方法的这种技术的主要优点是能够以微创方式进行多重传感。
该设备可用作测量急性医疗反应、了解体育锻炼期间的适应以及监测影响皮肤的疾病的研究工具。这种 InVivo 微针传感器的意义延伸到皮肤肿瘤的诊断，因为肿瘤微环境可以作为肿瘤增殖和转移的指标。我们使用此设备的目标是使用微针阵列作为微创机制来访问真皮间质液地板电化学分析。
从 3D 建模软件 SolidWorks 开始，设计一个准金属形状的空心微针阵列。然后使用 Magic 的 RP 13 软件设计，这是一种支撑结构，为构建微针提供了基础。接下来，使用再制造 RP 软件控制制造过程。
上传链接的支持和微针阵列文件。然后选择要制造的微针阵列的数量，并确定器件在 pery 快速原型制造系统中制造板上的位置。选择 100 毫瓦的紫外线模式并执行校准程序。
验证能量偏差是否在正负 2 毫瓦以内。微针阵列的制造完成后，从底板上取下微针阵列。显影异丙醇 15 分钟。
然后用压缩空气干燥阵列以确保完全聚合。在室温下固化微针 50 秒。通过光学显微镜检查微针。
验证每个完全制造的微针孔都是空心且畅通无阻的。将底层的可单独寻址连接铜线暴露在扁平的柔性电缆中。创建用于激光烧蚀的模型并将这些模型发送到激光系统。
现在，将电缆放置在夹具中，以提升方法将它们正确对准激光烧蚀板，在柔性电缆的绝缘部分创建 500 微米直径的空腔。使用喷洒丙酮的喷枪清洁改性扁平柔性电缆。然后在 40 PSI 时，使用光学显微镜用异丙醇和去离子水冲洗。
确认裸露的铜条上没有绝缘膜。下一步是为碳膏 ABL melanox 胶带创建一个固定腔，其中包含以前用于电极条的单面压敏丙烯酸粘合剂。现在将胶带对准烧蚀的电极条。
压缩磁带以确保正确连接。然后烧蚀双面 melin X 胶带，并对齐胶带，以便在微针阵列和碳膏电极阵列之间实现粘合。将 10 毫克葡萄糖氧化酶和 2.2 毫克聚乙烯胺混合成均匀的葡萄糖敏感碳糊。
然后在碳粉上加入 60 毫克铑，并加入 40 毫克矿物油。将糊状物储存在 4 摄氏度下，对于 pH 敏感的碳糊状物，混合 30% 矿物油和 70% 石墨粉。使用一块薄塑料作为抹子，将糊状物塞入电极腔中，直到获得光滑的表面。
对第二个干净的称量船重复此作，直到去除多余的糊状物。然后用去离子水洗涤。接下来，将 20 微升新鲜制备的 Fast Blue 溶液滴在填充的糊状电极上。
孵育 30 分钟后，用去离子水冲洗乳酸敏感碳糊。将 2.5 毫克铑碳粉与 2.5 毫克乳酸氧化酶混合。在 5 分钟超声处理和 5 分钟涡旋之间交替旋转 5 次。
继续将糊状物填充到电极腔中。最后，用去离子水冲洗以检测乳酸。测量传感器的计时和参数响应，并在 15 秒后记录电流以检测葡萄糖。
测量传感器的计时血压响应，以依次创建乳酸和葡萄糖传感器的校准曲线。在计时和参数测量之前添加相应的分析物。或者，在搅拌的同时进行固定电位计时和参数测量。
在每次分析物添加之间留出足够的时间以稳定电流。要监测 pH 值，请进行循环体积测量扫描，并通过在一系列已知 pH 值上测量氧化峰电位的位置（以记录的循环伏特克为单位）来创建 pH 校准曲线。构建基于多路复用微针的传感器的过程从在 SolidWorks 中设计微针阵列开始，然后在 magic 的 RP 13 中设计支撑结构。
这些扫描电子显微照片显示了一个微针阵列和该阵列内的单个微针。基于微针的传感器的传感平台是通过使用激光烧蚀在扁平、灵活的电缆中创建电极阵列，然后用碳膏填充这些阵列而创建的。介绍了葡萄糖和乳酸的电催化反应以及用于检测的作参数。
这种使用 15 秒计时扫描对乳酸敏感的糊剂进行的典型校准显示，对应于 2 毫摩尔乳酸添加量的每次电流增加。在监测传感器的葡萄糖校准时，使用单次连续计时扫描，通过加标葡萄糖浓度，然后让电流稳定下来。该示意图显示了用于检测酸性的电催化反应，在 0.1 摩尔磷酸盐缓冲液中，pH 敏感微针处的环状克数显示在四种不同的溶液中，pH 值范围为 5 到 8，以一个单位为增量。
由于氧化峰电位随着 pH 值的增加而变化，因此这种现象被用作 pH 值的指标。一旦掌握，这个装置就可以在两天内正确制造。在尝试此过程时，重要的是要注意，如果彼此混合，各种碳速度将不会保持其选择性。
按照此程序，可以将额外的选择性碳 pace 添加到电极阵列中，以监测皮肤中的其他分析物。该设备的开发可能为可穿戴传感器领域的研究人员进行医学诊断和探索基本的生物医学科学问题铺平道路。
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概述
本文详细介绍了用于多种分析物经皮电化学检测的多功能微针传感器的制作。该设备旨在实现各种生物医学应用的快速和选择性的原位取样。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物医学工程
- 电化学
- 传感器技术
背景
- 微针技术允许进行微创取样。
- 电化学检测对于实时监测生理状况至关重要。
- 现有方法通常缺乏有效执行多重传感的能力。
- 本研究解决了同时测量多种分析物的需求。
研究目的
- 开发能够同时检测各种目标离子的传感器。
- 增强经皮传感器在临床和研究环境中的能力。
- 为体内电化学分析提供平台。
使用的方法
- 使用神秘光刻技术制作空心微针阵列。
- 通过激光微机加工创建电极阵列腔。
- 准备并填充个别碳糊到腔中。
- 在生理相关浓度范围内校准碳糊。
主要结果
- 成功创建了经皮电化学设备。
- 该设备可以在复杂的生理环境中测量多种分析物。
- 在多重传感方面展示了相对于现有方法的优势。
- 确定了在临床医学和生物医学研究中的潜在应用。
结论
- 开发的传感器代表了微创诊断技术的重大进步。
- 未来的研究可以探索在各种生物医学领域的应用。
- 该技术可能改善患者监测和治疗结果。
常见问题
Executive Industry Relevance
Multiplexed hollow microneedle-based sensors enable minimally invasive, real-time monitoring of multiple metabolic analytes directly from interstitial fluid. This technology addresses the need for rapid, quantitative, and selective assessment of complex physiological states, supporting translational research and early-stage biomarker discovery. Its integration into discovery and preclinical workflows enhances predictive confidence and de-risks biological hypotheses in disease-relevant systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct, in situ measurement of metabolic markers for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying analyte changes in response to interventions.
- Facilitates rapid hypothesis testing in disease-relevant microenvironments.
Screening & Assay Development
- Provides validated, multiplexed readouts for assay standardization and reproducibility.
- Delivers quantitative outputs for reliable compound evaluation in screening campaigns.
- Supports scalable platform development for high-throughput phenotypic screening.
Translational & Preclinical Research
- Enables monitoring of metabolic biomarkers aligned with disease progression and therapeutic response.
- Bridges discovery and preclinical validation by supporting longitudinal, minimally invasive sampling.
- Improves risk-adjusted advancement decisions through real-time physiological data.
Pipeline & Workflow Integration
This multiplexed sensor platform fits from early discovery through preclinical research, enabling continuous biomarker assessment and mechanistic insight across the R&D continuum.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via direct analyte measurement.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for assay development and compound triage.
- Analytics: Enables statistical comparison of metabolic responses across experimental conditions.
- Translational Research: Aligns with biomarker-driven preclinical models for disease relevance.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform adaptable to additional analytes and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Standardizes minimally invasive, multiplexed sampling for reproducible workflows.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions and capital efficiency by providing rapid, quantitative data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, electrochemistry, and sensor calibration.
- Needs access to 3D modeling, laser micromachining, and analytical instrumentation.
- Demands rigorous cross-team standardization for reproducibility and data integrity.
- Adaptable to various model systems by modifying electrode chemistries for new analytes.
- Maintains selectivity only if carbon pastes are not cross-contaminated during fabrication.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:32
Microneedle Fabrication
2:49
Fabrication of Carbon Paste Electrode Arrays
3:58
Synthesis of Functional Carbon Pastes and Packing of Electrode Cavities
5:12
Detection and Sensor Calibration
6:08
Results: A Novel Transdermal Device for Electrochemical Monitoring
7:40
Conclusion
