חיישן הולו Microneedle מבוסס על מרובב דרך העור אלקטרוכימי חישה

המטרה הכללית של הליך זה היא לייצר חיישן מרובה-ערוצים (multiplexed) המבוסס על מחטי-מיקרו (microneedles) לזיהוי אלקטרוכימי טרנסדרמלי של אנליטים שונים שניתן למדוד בו-זמנית. השלב הראשון הוא ייצור מערכי מחטי-מיקרו חלולות באמצעות ליתוגרפיה של חומרים (mysterial lithography) ויצירת חללי מערך אלקטרודות באמצעות עיבוד מיקרו-לייזר. לאחר מכן, יש להכין את משחות הפחמן השונות ולמלא את חללי מערך האלקטרודות.

שלב הבא הוא כיול של כל אחת מהמשחות הפחמיות על פני טווח של ריכוזים רלוונטיים פיזיולוגית. בסופו של דבר, נוצר התקן אלקטרוכימי טרנסדרמלי in vivo המסוגל למדוד בו-זמנית אנליטים מרובים במיקרו-סביבות פיזיולוגיות מורכבות עבור מגוון יישומים ביו-רפואיים. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות הוא היכולת לבצע חישוש מרובה (multiplex sensing) באופן זעיר-פולשני.

ניתן להשתמש במכשיר זה ככלי מחקר למדידת תגובות רפואיות חריפות, להבנת הסתגלויות במהלך פעילות גופנית ולניטור מחלות המשפיעות על העור. ההשלכות של חיישן המיקרו-מחטים מסוג InVivo מתרחבות לאבחון גידולי עור, מכיוון שסביבות מיקרו של גידולים יכולות לשמש כאינדיקטורים לשגשוג ולגרורת הגידול. המטרה שלנו עם מכשיר זה היא להשתמש במערכי מיקרו-מחטים כמנגנון זעיר-פולשני לגישה לנוזל הבין-תאי בעור לצורך ביצוע אנליזה אלקטרוכימית.

התחל בתוכנת המידול התלת-ממדי, SolidWorks, ועצב מערך מחטי מיקרו חלולים בעלי צורה פרמטרית. לאחר מכן, באמצעות תוכנת Magic's RP 13, עצב מבנה תמיכה המספק בסיס שעליו נבנים מחטי המיקרו. לאחר מכן, בקר בתהליך הייצור באמצעות תוכנת ה-RP של המכור.

העלה הן את קובץ התמיכה המקושר והן את קובצי מערך המחטים המיקרוסקופיות. לאחר מכן, בחר את מספר מערכי המחטים המיקרוסקופיות לייצור, וקבע את מיקום המכשירים על לוח הייצור במערכת הייצור של ה-pery rapid prototyping. בחר במצב ultraviolet בעוצמה של 100 milliwatts ובצע את הליך הכיול.

וודאו כי הסטיה באנרגיה היא בטווח של פלוס או מינוס 2 mW. עם השלמת ייצור מערך המחטים המיקרוסקופיות, הסירו את מערך המחטים המיקרוסקופיות מפלטת הבסיס. בצעו פיתוח באמצעות isopropanol למשך 15 דקות.

לאחר מכן, ייבשו את המערכים באמצעות אוויר דחוס כדי להבטיח פולימריזציה מלאה. השאירו את המחטים המיקרוסקופיות להקשיה בטמפרטורת החדר למשך 50 שניות. בחנו את המחטים המיקרוסקופיות באמצעות מיקרוסקופיה של אור.

וודאו שכל חור של מיקרו-מחט שיוצרה במלואה הוא חלל ואינו חסום. חשפו את חוטי הנחושת המחברים, הניתנים לכתובה בנפרד, המצויים בכבל שטוח וגמיש. צרו תבניות עבור השחור בלייזר ושלחו תבניות אלו למערכת הלייזר.

כעת, מקמו את הכבלים במתאם (jig) כדי ליישר אותם כראוי על לוח האבליציה בלייזר; בגישת הרמה, צרו חללים בקוטר 500 micrometer בחלק המבודד של הכבל הגמיש. נקו את הכבלים הגמישים והשטוחים המעובדים באמצעות מתיז צבע (airbrush) המרסס acetone בלחץ של 40 PSI, ולאחר מכן שטפו עם isopropanol ומים דה-יוניים תחת מיקרוסקופ אור.

וודאו שלא נותר סרט בידוד מעל פסי הנחושת החשופים. השלב הבא הוא יצירת חלל החזקה עבור משחות הפחמן באמצעות סרט ABL melanox המכיל דבק אקרילי רגיש ללחץ בעל צד אחד, בתבנית ששימשה קודם לכן עבור פסי האלקטרודות. כעת מקמו את הסרט מעל פסי האלקטרודות שעברו אבלציה.

דחסו את הסרט כדי להבטיח חיבור תקין. לאחר מכן, בצעו אבלציה של סרט melin X דו-צדדי, ויישרו את הסרט כדי לאפשר קישור בין מערכי המיקרו-מחטים למערכי אלקטרודות משחת הפחמן. ערבבו 10 milligrams של glucose oxidase ו-2.2 milligrams של polyethylene amine למשחת פחמן הומוגנית הרגישה לגלוקוז.

לאחר מכן, הוסיפו 60 milligrams של אבקת rhodium on carbon וערבבו עם 40 milligrams של שמן מינרלי. אחסנו את המשחה בטמפרטורה של ארבעה מעלות Celsius. עבור משחת פחמן רגישה ל-pH, ערבבו 30% שמן מינרלי ו-70% אבקת graphite. באמצעות חתיכת פלסטיק דקה המשמשת כמרית, דחסו את המשחה לחלל האלקטרודה עד להשגת משטח חלק.

חזור על הפעולה עם כלי שקילה נקי שני עד להסרה מלאה של שאריות המשחה. לאחר מכן, שטוף במים דה-יוניים. כעת, הנח טיפה של 20 µL של תמיסת fast blue שהוכנה רגע לפני השימוש מעל אלקטרודת המשחה הדחוסה.

לאחר תקופת הדגרה של 30 דקות, שטפו במים דאיוניים עבור משחת הפחמן הרגישה ללקטט. שלבו 2.5 milligrams של אבקת רודיום על פחמן עם 2.5 milligrams של לקטט אוקסידאז. חזרו לסירוגין על חמש דקות של סוניקציה וחמש דקות של ערבוב ב-vortex למשך חמישה סבבים.

המשיכו לדחוס את העיסה לתוך חלל האלקטרודה. לבסוף, שטפו במים דה-יוניים כדי לזהות לקטט. מדדו את התגובה הכרונומטרית והפרמטרית של החיישן ורשמו את הזרם לאחר 15 שניות כדי לזהות גלוקוז.

מדוד את התגובה הכרונו-אמפרומטרית של החיישן כדי ליצור את עקומות הכיול עבור חיישני לקטט וגלוקוז בהתאמה. הוסף את האנליט המתאים לפני המדידות הכרונו-אמפרומטריות. לחלופין, בצע מדידות כרונו-אמפרומטריות בפוטנציאל קבוע תוך כדי ערבוב.

אפשרו זמן מספיק בין הוספה של כל אנליט לייצוב הזרם. כדי לנטר את ה-pH, בצעו סריקות וולטמטריות מחזוריות ורשמו את ערכי פוטנציאל השיא החמצוני. צרו עקומות כיול pH על ידי מדידת מיקום פוטנציאל השיא החמצוני בוולטמ그램ים מחזוריים שהוקלטו על פני סדרת ערכי pH ידועים. תהליך בנייתו של חיישן מרובה-אלקטרודות המבוסס על מחטים זעירות (microneedle) מתחיל בתכנון מערך המחטים הזעירות ב-SolidWorks, ולאחר מכן בתכנון מבני התמיכה ב-magic's RP 13.

מיקרוגרפים אלו ממסורק אלקטרונים סורק מציגים מערך של מיקרו-מחטים ומיקרו-מחט בודדת בתוך מערך זה. פלטפורמת החישון של החששן המבוסס על מיקרו-מחטים נוצרה באמצעות אבלציה בלייזר ליצירת מערכי האלקטרודות בכבל הגמיש והשטוח, ולאחר מכן מילוי של מערכים אלה בעגירת פחם. התגובות האלקטרו-קטליטיות עבור גלוקוז ולאקטט מוצגות יחד עם פרמטרי ההפעלה לזיהוי.

כיול טיפוסי זה של משחה רגישה ללקטט עם סריקות כרונומטריות של 15 שניות מראה שכל עלייה בזרם תואמת להוספה של שני מילימול לקטט. נעשה שימוש בסריקה כרונומטרית רציפה אחת, בעוד שניטור כיול הגלוקוז של החיישן מבוצע על ידי הוספה של ריכוזי גלוקוז ולאחר מכן המתנה להתייצבות הזרם. סכימה זו מציגה את התגובות האלקטרו-קטליות לזיהוי חומציות; כאן מוצגים גרפים מחזוריים של המיקרו-מחט הרגישה ל-pH בבופר פוספט 0.1 מולרי עבור ארבעה תמיסות שונות עם ערכי pH הנעים בין חמישה לשמונה במרווחים של יחידה אחת.

מאחר שפוטנציאל שיא החמצון משתנה עם עליית ערכי ה-pH, תופעה זו משמשת כאינדיקטור לערך ה-pH. לאחר רכישת המיומנות, ניתן לייצר התקן זה כראוי תוך יומיים. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לציין כי סוגי הפחמן השונים לא ישמרו על הסלקטיביות שלהם אם יערבבו זה עם זה.

בעקבות הליך זה, ניתן להוסיף שכבת פחמן סלקטיבית נוספת למערך האלקטרודות כדי לנטר אנליטים אחרים בעור. פיתוח מכשיר זה עשוי לסלול את הדרך עבור חוקרים בתחום החיישנים הלבישים לביצוע אבחון רפואי ולחקירת שאלות יסוד במדעי הביו-רפואה.