多重経皮電気化学センシングのための中空マイクロニードルベースの​​センサ

本手順の全体的な目的は、同時に測定可能なさまざまな標的電解質を経皮的に電気化学検出するための、マルチプレックス・マイクロニードルベースのセンサーを作製することです。最初のステップとして、ミステリアルリソグラフィーを用いて中空マイクロニードルアレイを作製し、レーザー微細加工を用いて電極アレイキャビティを作成します。その後、個々のカーボンペーストを調製し、電極アレイキャビティに充填します。

次に、生理学的に関連のある濃度範囲で各カーボンペーストを校正します。最終的に、さまざまな生物医学的アプリケーションに向けて、複雑な生理学的微小環境において複数の分析物を同時に測定できる経皮的in vivo電気化学デバイスが作製されます。既存の手法に対するこの技術の主な利点は、低侵襲な方法でマルチプレックスセンシングを実行できることです。

このデバイスは、急性の医学的反応の測定、身体的運動中の適応の理解、および皮膚に影響を及ぼす疾患のモニタリングのための研究ツールとして利用できます。このInVivoマイクロニードルセンサーの意義は、腫瘍の微小環境が腫瘍の増殖や転移の指標となり得るため、皮膚腫瘍の診断にまで及びます。本デバイスの目的は、マイクロニードルアレイを低侵襲なメカニズムとして利用し、電気化学分析のために真皮間質液にアクセスすることです。

まず、3次元モデリングソフトウェアのSolidWorksで、傘状の中空マイクロニードルアレイを設計します。次に、Magic's RP 13ソフトウェアを用いて、マイクロニードルの土台となるサポート構造を設計します。その後、refactory RPソフトウェアを使用して作製工程を制御します。

リンクされたサポートファイルとマイクロニードルアレイファイルの両方をアップロードします。次に、作製するマイクロニードルアレイの数を選択し、peryラピッドプロトタイピング製造システムにおける作製プレート上のデバイスの配置を決定します。紫外線モードを100 milliwattsに設定し、キャリブレーション手順を実行します。

エネルギーの偏差が±2 mW以内であることを確認します。マイクロニードルアレイの作製が完了したら、ベースプレートからマイクロニードルアレイを取り出します。イソプロパノールで15分間現像します。

次に、完全な重合を確実にするため、圧縮空気でアレイを乾燥させます。マイクロニードルを室温で50秒間キュアします。光学顕微鏡を用いてマイクロニードルを観察します。

完全に作製された各マイクロニードルの内腔が中空であり、閉塞していないことを確認します。フラットフレキシブルケーブル内の、個別にアドレス指定可能な接続用銅線を露出させます。レーザーアブレーション用のパターンを作成し、これらのパターンをレーザーシステムに送信します。

次に、ケーブルをジグに配置してレーザーアブレーションプレート上に正しく整列させ、上昇アプローチを用いて、フレキシブルケーブルの絶縁部分に直径500 µmのキャビティを作成します。アセトンを噴霧するエアブラシを用いて、加工したフラットフレキシブルケーブルを洗浄します。40 PSIで洗浄した後、光学顕微鏡下でイソプロパノールと脱イオン水を用いてすすぎます。

露出した銅ストリップの上に絶縁フィルムが残っていないことを確認します。次のステップは、カーボンペースト用の保持キャビティを作成することです。電極ストリップに使用した前回のパターンに合わせて、片面に感圧アクリル粘着剤を含むABL melanox tapeを使用します。次に、アブレーション処理を施した電極ストリップの上にテープを配置します。

テープを圧縮し、適切に接続されていることを確認します。次に、両面メリンXテープをアブレーションし、マイクロニードルアレイとカーボンペースト電極アレイの間で接合ができるようにテープを合わせます。10 milligramsのグルコースオキシダーゼと2.2 milligramsのポリエチレンアミンを混合し、均質なグルコース感応性カーボンペーストを作成します。

次に、60 milligramsのカーボン担持ロジウム粉末を加え、40 milligramsのミネラルオイルと混合します。pH感応性カーボンペーストについては、30%のミネラルオイルと70%のグラファイト粉末を混合し、このペーストを4 °Cで保存します。薄いプラスチック片をコテとして使用し、表面が滑らかになるまでペーストを電極キャビティに充填します。

余分なペーストが除去されるまで、2つ目の清潔なウェーイングボートを用いて同様の操作を繰り返します。その後、脱イオン水で洗浄します。次に、調製したばかりのfast blue溶液を20 µL、充填済みペースト電極の上に滴下します。

30分間のインキュベーション後、乳酸感応性カーボンペーストを脱イオン水で洗浄します。2.5 mgのカーボン担持ロジウム粉末と2.5 mgの乳酸オキシダーゼを混合します。5分間の超音波処理と5分間のボルテックス処理を交互に5サイクル繰り返します。

ペーストを電極キャビティに充填します。最後に、脱イオン水で洗浄し、乳酸を検出します。センサーのクロノアンペロメトリーおよびパラメトリック応答を測定し、15秒後の電流値を記録してグルコースを検出します。

乳酸センサーおよびグルコースセンサーの検量線を順次作成するため、センサーのクロノアンペロメトリー応答を測定します。クロノアンペロメトリー測定の前に、それぞれの分析物を添加してください。あるいは、撹拌しながら固定電位でのクロノアンペロメトリー測定を行います。

各分析物の添加の間には、電流が安定するまで十分な時間を置いてください。pHをモニタリングするには、サイクリックボルタンメトリー測定を行い、酸化ピーク電位の値を記録します。一連の既知のpH値において、記録されたサイクリックボルタモグラム中の酸化ピーク電位の位置を測定することで、pH検量線を作成します。マルチプレックスマイクロニードルベースセンサーの構築プロセスは、まずSolidWorksでマイクロニードルアレイを設計し、次にmagic's RP 13で支持構造を設計することから始まります。

これらの走査型電子顕微鏡写真には、マイクロニードルアレイと、そのアレイ内の一本のマイクロニードルが示されています。マイクロニードルベースのセンサのセンシングプラットフォームは、レーザーアブレーションを用いてフラットフレキシブルケーブルに電極アレイを形成し、その後、これらのアレイにカーボンペーストを充填することによって作製されています。グルコースおよび乳酸の電極触媒反応を、検出のための動作パラメータとともに提示します。

乳酸感受性ペーストのこの代表的な校正では、15秒間のクロノメトリックスキャンを用いており、電流の増加 each が乳酸の2 mMの添加に対応しています。単一の連続的なクロノメトリックスキャンが使用され、センサーのグルコース校正のモニタリングは、グルコースを段階的に添加し、電流が安定するまで待機することで行われます。この概略図は、酸度検出のための電極触媒反応を示しており、0.1 M リン酸緩衝液中でのpH感受性マイクロニードルのサイクリックボルタモグラムが、pH 5から8まで1単位刻みの4種類の異なる溶液について示されています。

酸化ピーク電位はpH値の上昇に伴ってシフトするため、この現象をpH値の指標として利用します。習得すれば、このデバイスは2日間で適切に作製することが可能です。本手順を行う際は、さまざまなカーボンペーストを互いに混合すると選択性が保持されなくなる点に注意してください。

本手順に従い、皮膚内の他の分析物をモニタリングするために、電極アレイにさらに選択的なカーボンペーストを追加することが可能です。本デバイスの開発は、ウェアラブルセンサー分野の研究者が医学的診断を行い、基礎的な生物医学的課題を追究するための道を切り開く可能性があります。