Hohle Mikronadel-basierten Sensor für Multiplex Transdermale elektrochemische Nachweis

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, einen multiplexierten, mikronadelbasierten Sensor zur transdermalen elektrochemischen Detektion verschiedener Zielanalyte herzustellen, die gleichzeitig gemessen werden können. Der erste Schritt besteht darin, hohle Mikronadel-Arrays mittels Mysterial-Lithographie herzustellen und mittels Laser-Mikrofertigung Hohlräume für das Elektroden-Array zu erzeugen. Anschließend werden die einzelnen Kohlenstoffpasten vorbereitet und die Hohlräume des Elektroden-Arrays damit gefüllt.

Als Nächstes kalibrieren Sie jede der Kohlenstoffpasten über einen Bereich physiologisch relevanter Konzentrationen. Letztendlich wird eine transdermale in-vivo-Elektrochemievorrichtung hergestellt, die in der Lage ist, mehrere Analyten gleichzeitig in komplexen physiologischen Mikroumgebungen für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen zu messen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden liegt in der Fähigkeit, Multiplex-Sensoren auf minimalinvasive Weise einzusetzen.

Dieses Gerät kann als Forschungsinstrument verwendet werden, um akute medizinische Reaktionen zu messen, Einblicke in Anpassungen während körperlicher Betätigung zu gewinnen und Erkrankungen zu überwachen, die die Haut betreffen. Die Implikationen dieses In-vivo-Mikronadel-Sensors reichen bis zur Diagnose von Hauttumoren, da Tumormikroumgebungen als Indikatoren für Tumorproliferation und Metastasierung dienen können. Unser Ziel mit diesem Gerät ist es, Mikronadel-Arrays als minimalinvasive Methode zu nutzen, um an der dermalen interstitiellen Flüssigkeit eine elektrochemische Analyse durchzuführen.

Beginnen Sie in der dreidimensionalen Konstruktionssoftware SolidWorks mit der Gestaltung eines hohlen Mikronadelarrays in parametrischer Form. Anschließend entwerfen Sie mit der Magic's-RP-13-Software eine Trägerstruktur, die als Grundlage für die Mikronadeln dient. Danach steuern Sie den Fertigungsprozess mithilfe der Refractory-RP-Software.

Laden Sie die verknüpften Stütz- und Mikronadelarray-Dateien hoch. Wählen Sie anschließend die Anzahl der herzustellenden Mikronadelarrays aus und legen Sie die Position der Geräte auf der Fertigungsplatte im pery-Schnellprototypen-Fertigungssystem fest. Wählen Sie den Ultraviolettmodus bei 100 Milliwatt und führen Sie das Kalibrierungsverfahren durch.

Überprüfen Sie, ob die Abweichung in der Energie innerhalb von plus oder minus zwei Milliwatt liegt. Nach Abschluss der Herstellung des Mikronadelarrays das Mikronadelarray von der Grundplatte entfernen. Ein Isopropanol 15 Minuten lang entwickeln.

Trocknen Sie die Arrays anschließend mit Druckluft, um eine vollständige Polymerisation sicherzustellen. Härten Sie die Mikronadeln bei Raumtemperatur 50 Sekunden lang aus. Untersuchen Sie die Mikronadeln mittels Lichtmikroskopie.

Überprüfen Sie, ob jede vollständig hergestellte Mikronadelhülse hohl und ungehindert ist. Legen Sie die darunterliegenden individuell adressierbaren verbindenden Kupferdrähte in einem flachen, flexiblen Kabel frei. Erstellen Sie Muster für die Laserablation und senden Sie diese Muster an das Lasersystem.

Positionieren Sie nun die Kabel in einer Vorrichtung, um sie mit einer Raspel-Methode korrekt auf der Laserablationsplatte auszurichten, und erzeugen Sie 500 Mikrometer durchmessende Hohlräume im isolierenden Bereich des flexiblen Kabels. Reinigen Sie die modifizierten flachen flexiblen Kabel mit einer Sprühflasche, die Aceton versprüht. Spülen Sie anschließend bei 40 PSI mit Isopropanol und entionisiertem Wasser unter Verwendung eines Lichtmikroskops.

Überprüfen Sie, dass keine isolierende Schicht über den freiliegenden Kupferstreifen verbleibt. Der nächste Schritt besteht darin, einen Haltehohlraum für die Kohlepasten zu erstellen, und zwar mit ABL Melanox Tape, das ein einseitiges, druckempfindliches Acrylklebemittel in dem zuvor für die Elektrodenstreifen verwendeten Muster enthält. Richten Sie nun das Tape über den ablatierten Elektrodenstreifen aus.

Drücken Sie das Band zusammen, um eine ordnungsgemäße Verbindung sicherzustellen. Dann ablatieren Sie beidseitiges Melin-X-Band und richten Sie es aus, um die Bindung zwischen den Mikronadel-Arrays und den Kohlepaste-Elektroden-Arrays zu ermöglichen. Mischen Sie 10 Milligramm Glucose-Oxidase und 2,2 Milligramm Polyethylenamin zu einer homogenen, glucoseempfindlichen Kohlepaste.

Geben Sie anschließend 60 Milligramm Rhodium auf Kohlenstoffpulver hinzu und mischen Sie 40 Milligramm Mineralspachtel ein. Bewahren Sie die Paste bei vier Grad Celsius für die pH-empfindliche Kohlenstoffpaste auf. Mischen Sie 30 % Mineralspachtel und 70 % Graphitpulver. Verwenden Sie ein dünnes Stück Kunststoff als Spachtel, um die Paste in den Elektrodenhohlraum einzubringen, bis eine glatte Oberfläche erreicht ist.

Wiederholen Sie den Vorgang mit einem zweiten sauberen Wägeboot, bis die überschüssige Paste entfernt ist. Anschließend mit entionisiertem Wasser waschen. Danach einen 20-Mikroliter-Tropfen frisch zubereiteter Fast-Blue-Lösung auf die gepackte Pasteelektrode geben.

Nach einer 30-minütigen Inkubationszeit mit deionisiertem Wasser abspülen, falls eine lactatsensitive Kohlepaste verwendet wird. Kombinieren Sie 2,5 Milligramm Rhodium auf Kohlepulver mit 2,5 Milligramm Lactat-Oxidase. Wiederholen Sie fünfmal abwechselnd jeweils fünf Minuten Ultraschallbehandlung und fünf Minuten Vortexen.

Fahren Sie fort, indem Sie die Paste in den Elektrodenhohlraum einbringen. Spülen Sie abschließend mit entionisiertem Wasser, um Lactat nachzuweisen. Messen Sie die chrono- und parametrische Antwort des Sensors und notieren Sie den Strom nach 15 Sekunden, um Glukose nachzuweisen.

Messen Sie die chronoamperometrische Antwort des Sensors, um nacheinander die Kalibrierungskurven für Lactat- und Glucosesensoren zu erstellen. Geben Sie das jeweilige Analyt vor den chronoamperometrischen und parametrischen Messungen hinzu. Alternativ führen Sie Messungen mit festgelegtem Potential unter Rühren durch.

Planen Sie zwischen jeder Zugabe eines Analyten ausreichend Zeit für die Stabilisierung des Stroms ein. Um den pH-Wert zu überwachen, führen Sie zyklische voltammetrische Scans durch und notieren Sie die Positionen der oxidativen Peak-Potentialwerte. Erstellen Sie pH-Kalibrierungskurven, indem Sie die Position des oxidativen Peak-Potentials in aufgezeichneten zyklischen Voltammogrammen über eine Reihe bekannter pH-Werte messen. Der Prozess der Herstellung eines multiplexierten, mikronadelbasierten Sensors beginnt mit der Konstruktion des Mikronadel-Arrays in SolidWorks und anschließend der Gestaltung der Stützstrukturen in magic's RP 13.

Diese Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen zeigen ein Mikronadel-Array und eine einzelne Mikronadel innerhalb dieses Arrays. Die Sensierplattform des auf Mikronadeln basierenden Sensors wird hergestellt, indem mittels Laserablation die Elektrodenarrays im flachen, flexiblen Kabel erzeugt und anschließend mit Kohlenstoffpaste gefüllt werden. Die elektrokatalytischen Reaktionen für Glukose und Laktat werden zusammen mit den Betriebsparametern zur Detektion dargestellt.

Diese typische Kalibrierung der lactatsensitiven Paste mit chronometrischen Scans in 15-Sekunden-Abständen zeigt jeden Anstieg des Stroms, der einer Zugabe von zwei Millimolar Lactat entspricht. Während der Überwachung der Glukosekalibrierung des Sensors wird ein einzelner kontinuierlicher chronometrischer Scan verwendet, wobei Glukosekonzentrationen zugegeben und anschließend der Strom zur Stabilisierung gebracht wird. Dieses Schema zeigt die elektrokatalytischen Reaktionen zur Nachweisung der Säure; hier werden zyklische Voltammogramme an der pH-sensitiven Mikronadel in 0,1-molarer Phosphatpufferlösung über vier verschiedene Lösungen mit pH-Werten von fünf bis acht in Einerschritten dargestellt.

Da sich das oxidative Spitzenpotential mit steigenden pH-Werten verschiebt, wird dieses Phänomen als Indikator für den pH-Wert verwendet. Sobald die Methode beherrscht ist, kann das Gerät innerhalb von zwei Tagen ordnungsgemäß hergestellt werden. Bei Durchführung dieses Verfahrens ist darauf zu achten, dass die verschiedenen Kohlenstoffsorten ihre Selektivität verlieren, wenn sie miteinander vermischt werden.

Mit dieser Methode können dem Elektrodenarray zusätzliche selektive Kohlenstoffelektroden hinzugefügt werden, um weitere Analyten in der Haut zu überwachen. Die Entwicklung dieses Geräts könnte für Forscher im Bereich tragbarer Sensoren den Weg ebnen, um medizinische Diagnosen durchzuführen und grundlegende biomedizinische Wissenschaftsfragen zu erforschen.