Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: 学ぶ中空マイクロニードルベースのセンサ製造法。レーザー微細加工とカーボンペースト充填により、複数の分析物を同時検出する経皮電気化学デバイスを作製する。生体内マルチプレックスセンシングの応用を探索する。

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サンディア国立研究所は、ユナイテッドが契約DE-AC04-94AL85000下でエネルギー省の国家核安全保障管理局をすればのサンディア国立研究所株式会社、ロッキードマーチン社が運営するマルチプログラムの研究室です。著者らは、サンディア国立研究所 &quot;研究所からの資金認める研究開発（LDRD）プログラムを監督。

1。マイクロニードル作製<ol><li>三次元モデリングソフトウェアSolidworksで（Dassault SystemesのSA、ツィー、フランス）を使用して、ピラミッド状の中空マイクロニードルアレイを設計する（ 図1）。3 月5日 </li><li> Magicsは、RP 13ソフトウェア（マテリアライズNV、ルーベン、ベルギー）を使用してマイクロニードルアレイのための支持構造を設計します。支持構造は、樹脂製造時にデバイスからドレインすることができ、マイクロニードルが構築されている基盤を提供しています。例の支持構造は、 図1に示されています。 </li><li>リンクされているサポートとマイクロニードルアレイのファイルは、製造プロセスを制御するPerfactory RPソフトウェア（EnvisionTEC GmbHは、Gladbeck、ドイツ）にアップロードされます。このソフトウェアパッケージ内に、作製するマイクロニードルアレイの数を選択し、製造プレート上のデバイスの配置を決定します。 </li><li> Perfactory迅速なPRは180 mWで紫外線モードでキャリブレーションを実行します。ototyping製造システムとエネルギーのずれを確認して±2 mWの範囲内である。 </li><li>製作が完了したら、15分間イソプロパノールでベースプレートからマイクロニードルアレイを削除して開発しています。圧縮空気を持つ配列を乾燥させ、完全な重合を確実にするためにOtoflash Postcuringシステム（EnvisionTEC社、Gladbeck、ドイツ）で50秒間室温でマイクロニードルを治す。 </li><li>顕微鏡を介してマイクロニードルの製造を検証し、各マイクロニードルの穴は​​中空と障害物がないことを確認してください。完全に製作されたマイクロニードルは、 図2に示されています。 </li></ol> 2。カーボンペースト電極アレイの作製<ol><li>穴をカットしてあったフラットフレキシブルケーブル（21039から0249）で、基礎となる個々にアドレス指定接続する銅線を露出する60 Wモデル6.75 CO 2ラスター/ベクトルレーザーシステム（ユニバーサルレーザーシステムズ社、スコッツデール、アリゾナ州）を使用して、商業的供給源（Moから得られたlexのコネクタ（株）、リール、イリノイ州）（ 図3（AとB））。適切にレーザーアブレーションプレート上に配置する治具でフラットフレキシブルケーブルを配置します。フレキシブルケーブルの絶縁部に500μmの直径の空洞を作成するラスタアプローチを使用します。アブレーション用のパターンはCorelDRAWの作成（コーレル、オタワ、オンタリオ州）とレーザーシステムに送信されます。 </li><li> 40 psiでエアブラシそのスプレーのアセトンで変更されたフラットフレキシブルケーブルをきれいにします。イソプロパノール、脱イオン水で洗浄して、それらを洗浄終了します。ない絶縁膜が露出した銅ストリップの上に残っていないことを顕微​​鏡下で確認してください。 </li><li>次のステップでは、カーボンペーストの梱包の保持キャビティを作成することです。メリネックステープ（粘着アクリル粘着剤を片面にコーティングされた0.002 &quot;厚さ）は2分間の適切な接続を確保するためにアブレーション電極ストリップの上に配向し、電極ストリップと同じパターンでアブレーション、3000 psiで圧縮されています。でこのCASEは、空洞の直径は750μmである。 </li><li>メリネックステープ（粘着アクリル系粘着剤の2つの両面に塗布0.004 &quot;厚さ）の追加の層は、その後、片面粘着テープと同じパターンでアブレーションされており、債券に整列した後にカーボンペースト電極アレイのマイクロニードルアレイに使用されます。 </li></ol> 3。機能性カーボンペーストの合成と電極キャビティのパッキング<ol><li>グルコース敏感カーボンペーストは、以前のレシピのオフに基づいており、均一な混合物が得られるまでグルコースオキシダーゼおよびポリ（エチレンイミン）の2.2 mgの10mgを混合することによって得られる。この混合物に16、ロジウム60 mgのカーボン粉末上に（ 5パーセントの負荷）が追加されます。 40 mgのミネラルオイルを添加し、続いて混合される。ペーストを調製後1週間まで使用されます。ペースト°C使用時まで4℃で保存されています。 </li><li> pH感受性カーボンペーストは、混合30％（w / w）の鉱物油と70％（w / w）の黒鉛pによって得られたowder。セクション3.4で説明したように電極の空洞に貼り詰める。 、17の10mMファーストブルーRRジアゾニウム塩（4 -ベンゾイルアミノ-2,5 - dimethoxybenzenediazonium塩化ヘミ（塩化亜鉛）塩）0.5 Mリン酸の溶液を作るためにパックされたペースト電極上にこの溶液20μl滴を置きます自発的にファーストブルーPRのジアゾニウム塩を化学吸着すること30分。緩衝液または脱イオン水使用しないで脱イオン水や店舗で洗い流してください。 </li><li>乳酸敏感カーボンペーストは、以前のレシピをベースにしていますと、炭素粉末と乳酸オキシダーゼ2.5mgのにロジウムの2.5 mgを混合することによって得られる、5回転のために超音波5分、ボルテックスの5分の間で交互に18。 </li><li>準備されたフラットフレキシブルケーブルに変更されたペーストの梱包は、電極の空洞を介してそれぞれのペーストを適用することによって達成されます。こてとパックtとしてプラスチックの薄い部分を（例えば、プラスチック重船のエッジ）を使用して、滑らかな表面が得られるまで、彼は貼り付けます。過剰なペーストが削除されるまで、2番目のきれいな秤量ボートで繰り返します。脱イオン水で洗い流して下さい。カーボンペーストの充填キャビティ、およびマイクロニードルの統合を（セクション2で説明した、3）を作成するレーザーアブレーションを示す模式図を図3に示されています。 </li></ol> 4。検出とセンサの校正<ol><li>乳酸の検出は、-0.15 Vでセンサのクロノアンペロメトリ応答を測定し、0.1 Mリン酸緩衝液（pH = 7.5）で15秒後に電流を記録することによって達成されます。 図4（）は乳酸を検出するための電極触媒反応の模式図が含まれています。 </li><li>グルコースの検出は-0.05 Vでセンサのクロノアンペロメトリ応答を測定し、0.1 Mリン酸緩衝液（pH7.0）で15秒後に電流を記録することによって、同様の方法で実行されています。 図4（b）のための電極触媒反応の模式図が含まれていますDグルコースのetection。 </li><li> pHは、100 mVの/ sで-0.7 Vから0.8 Vにサイクリックボルタンメトリーのスキャンを実行すると酸化ピーク電位の位置を記録することによって監視されています。 pHの検出のための酸化還元反応の模式図を図5に示されています。 </li><li>グルコースと乳酸センサーのキャリブレーション曲線は、それぞれの検体の連続添加することによって作成することができます。セクション5.1と5.2で説明したようにクロノアンペロメトリ測定は、各検体の添加後、実行している。また、固定電位クロノアンペロメトリ測定は、現在の安定化のため各検体の添加の間に十分な時間を（〜10から100秒）ながら攪拌下に行うことができます。 </li><li> pHの検量線は1.0 pH単位の増分で5〜8に知られているpH値は、一連の上に酸化ピーク電位の位置を測定し、セクション5.3で説明したようにサイクリックボルタモグラムを記録することによって作成することができます。 </li></ol> 5。代表的な再sults 修飾カーボンペースト充填ニードルを静止溶液中でのクロノアンペロメトリ曲線を（例えば、グルコースの検出または乳酸を検出するための）取得する場合、電流はすぐにそれぞれの検出電位の印加により減少します。それは最終的に定常状態の値に減衰します。代表的な結果を図6に示されているが、この結果は、乳酸マイクロニードルで乳酸や記録の2mMの追加から得られた。ソリューションは、簡単にそれぞれの乳酸を添加した後攪拌しなければなりません。 15秒後に電流が乳酸の濃度を増加させる時に上昇し、現在の応答は、未知の溶液中での乳酸の濃度を決定するために使用することができます。また、継続的な監視は、増加するグルコース濃度（ 図5）で解決策を示すように撹拌した溶液（または流れる溶液中）で使用することができます。再び、時の電流の増加は、tを増加させる彼のグルコース濃度が未知のソリューションへのグルコース応答を標準化するために使用することができます。十分な時間は、溶液を安定させるために、各スパイクの後に許可する必要があります。 0.1 Mリン酸緩衝液のpHに敏感なマイクロニードルでのサイクリックボルタモグラムを図6の1のpH単位の増分で5から8までの4つの異なるpH溶液を介して表示されます。 pHの上昇による酸化ピーク電位のシフトが、この現象は、pH値の指標として使用されています。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/4067/4067fig1.jpg" /> SolidWorksで作成したマイクロニードルアレイ（）のSTLファイルのサポート体制（B）を示し、印刷画面の図は、1。画像。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/4067/4067fig2.jpg" /> 図2マイクロニードルアレイ（A）と、この配列内の単一のマイクロニードル（B）の走査型電子顕微鏡写真。 図3：フラットフレキシブルケーブルアセンブリの模式図。手順は、フラットフレキシブルケーブル（）を変更（B）パターン化され、円を切除、カーボンペースト（C）で満たされたと同様に、第二アブレーションメリネックス層を追加し、交配された当初はアブレーションメリネックス層を追加、含まれていマイクロニードルアレイ（D）が。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4067/4067fig3large.jpg" target="_blank">拡大図を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/4067/4067fig4.jpg" /> 図4。0.1 Mリン酸緩衝液（pH = 7.5）で-0.15 Vで15秒クロノアンペロメトリスキャンと乳酸敏感なペーストのキャリブレーション。乳酸の2mM加えて、現在対応しての各増加。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/4067/4067fig5.jpg" /> 図5。 </s応答内の各減少は、グルコースの2mMの加算に対応する-0.05 Vの時クロノアンペロメトリスキャンを実行するグ​​ルコース感受性ペースト&gt;キャリブレーションをtrong。 0.1 Mリン酸緩衝液（pH = 7.0）は、キャリブレーション中に攪拌した。外部Ag / AgCl電極とPt基準と対向電極は、本研究で使用されていた。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/4067/4067fig6.jpg" /> 図6 1。pHの単位の増分（緑青= pHが8.0、緑= pHは7.0、紫= pHが6.0、赤= pH 5.0）でのpH 5から8以上0.1 Mリン酸緩衝液に貼り付けpH感受性炭素のサイクリックボルタモグラム（CV）。第五CVはAg / AgCl参照とPt線カウンター電極対分析のために使用されていました。

<ol><li>Henry, S., McAllister, D. V., Allen, M. G., Prausnitz, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfabricated+microneedles%3A+a+novel+approach+to+transdermal+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Pharm.+Sci%22%5BJournal%5D)">Microfabricated microneedles: a novel approach to transdermal drug delivery.</a> J. Pharm. Sci. 87, 922-925 (1998).</li>
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</ol>

利害の衝突が宣言されません。

このニードルベースの​​センサの設計の複数の側面は、デバイス製造の前に考えられた。リアルタイムの検出のため、このセンサーを使用するために、センサの応答時間は、低でなければなりません。このプロトコルでは、各テストセンサーが15秒未満の応答時間を示した。このプロトコルで使用されているペーストは、電極の応答を妨げる可能性が電気の生体分子を含む生体内環境の中で彼らの選択のために選ばれました。コンポジションを貼り付けるだけでなく、オペレーティング電位が電気活性種の干渉の影響を最小限に抑えるために選ばれました。マイクロニードルアレイの成功の製造は、適切なマイクロニードルの設計とマイクロニードル材料の選択が含まれます。マイクロニードルは皮膚を穿刺することができた場合、これらの2つの側面が決定され、物理的な損傷から電極を保護し、電極組織の接触を排除する。それは、外部Ag / AgCl電極とPtが参照することに留意すべきであるENCEと対向電極は、測定時に使用された、ヒトまたは動物を対象とこのデバイスのin vivoで使用されているこれらの電極がデバイス内に組み込まれていることが必要になります。 <p clas...

<table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名前 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td></tr><tr><td>フラットフレキシブルケーブル</td><td>モレックス</td><td> 3302/10SF </td></tr><tr><td> 0.003 &quot;サイド両面テープ</td><td>メリネックス</td><td></td></tr><tr><td> 0.004 &quot;両面テープ</td><td>メリネックス</td><td></td></tr><tr><td>乳酸オキシダーゼ</td><td>シグマ</td><td> L0638 </td></tr><tr><td>ブドウ糖酸化酵素</td><td>シグマ</td><td> G7141 </td></tr><tr><td>炭素上のロジウム</td><td>シグマ</td><td> 206164 </td></tr><tr><td>黒鉛粉末</td><td>シグマ</td><td> 385031000 </td></tr><tr><td>ポリ（エチレンイミン） </td><td>アクロス</td><td> 178570010 </td></tr><tr><td>鉱油</td><td>シグマ</td><td> M5904 </td></tr><tr><td>グルコース</td><td>シグマ&lt;/ TD&gt; <td> G8270 </td></tr><tr><td>乳酸塩</td><td>シグマ</td><td> L1750 </td></tr><tr><td>ファーストブルーRR塩</td><td>シグマ</td><td> F0500 </td></tr><tr><td>電子シェル300 </td><td> EnvisionTEC </td><td></td></tr><tr><td>電子シェル200 </td><td> EnvisionTEC </td><td></td></tr><tr><td> Ag / AgCl参照電極</td><td>バシ</td><td> MF-2052 </td></tr><tr><td> Pt線</td><td>バシ</td><td></td></tr><tr><td> PGSTAT12 AutolabPotentiostat </td><td> EcoChemie </td><td></td></tr><tr><td> Perfactory RP </td><td> EnvisionTEC </td><td></td></tr><tr><td> Ottoflash Postcuringシステム</td><td> EnvisionTEC </td><td></td></tr><tr><td>リン酸</td><td>フィッシャー</td><td> A366-4 </td></tr><tr><td> 60Wモデル6.75 CO 2ラスター/ベクトルレーザーシステム</td><td> UniverSALレーザーシステム</td><td> PLS6.75 </td></tr><tr><td> CorelDrawに</td><td>コー​​レル</td><td></td></tr><tr><td> SolidWorksの</td><td>ダッソー·システムズ</td><td> 2009 </td></tr><tr><td>魔法RP13 </td><td>マテリアライズ</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing

生体関連分子の迅速分析のための低侵襲多重監視システムの開発は、慢性疾患から彼らの即時の生理学的状態の容易な評価をしている個体を提供することができます。さらに、複雑な、多因子の医学的状態の分析のための研究ツールとして役立つかもしれません。実現するなどmultianalyteセンサーのためには、ユーザーへの痛みや害がなく発生する必要があります間質液のサンプリング、低侵襲である必要があり、分析が迅速なだけでなく、選択的でなければなりません。 最初は痛みの薬物送達のために開発され、マイクロニードルが皮膚を通してワクチンや薬理学的薬剤（例えば、インスリン）を提供するために使用されている1-2これらのデバイスは格子間空間をアクセスするので、微小電極と統合されているマイクロニードルは、経皮として使用することができます電気化学センサー。グルコース、グルタミン酸、乳酸の選択的検出、Hydrogen過酸化水素、アスコルビン酸が伝達要素として、炭素繊維、変性されたカーボンペースト、白金コーティング、ポリマーマイクロニードルと統合されたニードル電極デバイスを使用して実証されている。3-7,8 このニードルセンサー技術は、複数の分析物のin situ同時検出のための小説と洗練された分析的なアプローチを可能にしました。多重化は、特に迅速かつ低侵襲な方法で特徴づけることが困難な複雑な微小環境を監視する可能性を提供しています。たとえば、この技術は、グルコース、乳酸およびpHの細胞外レベルの同時モニタリング、疾患状態7,10-14（例えば、癌の増殖）および運動誘発性アシドーシスの重要な代謝指標である9のために利用される可能性があります。15

この資料では、詳細多重ニードルベースの​​センサの構築を。デバイスは、迅速かつ選択的に複数の分析物のin situ電気化学的サンプリングと分析のために開発されています。臨床医学と生物医学研究は、これらのマイクロニードルベースの​​センサに使用する私たちは想像する。

生物学的に重要な分子を迅速に分析するための、低侵襲なマルチプレックスモニタリングシステムの開発は、個人に……を提供できる可能性があります。

この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電気化学的に検出するための、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製作することです。まず、犠牲層リソグラフィを用いて中空マイクロニードルアレイを製作し、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。次に、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の校正を行います。最終的に、さまざまな生物医学的応用のために、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活用できます。このInVivoマイクロニードルセンサーの応用範囲は皮膚腫瘍の診断にまで及びます。これは、腫瘍微小環境が腫瘍の増殖および転移の指標となり得るためです。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用い、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であるSolidWorksを用いて、円錐台形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ソフトウェアを使用し、マイクロニードルを構築するための土台となるサポート構造を設計します。その後、refactory RPソフトウェアを用いて作製プロセスを制御します。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の範囲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、圧縮空気でアレイを乾燥させ、完全に重合させます。マイクロニードルを室温で50秒間硬化させます。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ボアが中空であり、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

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

出典: Vanegas, M. I., et al.薬物注入と電気生理学を組み合わせたマイクロインジェクトロードシステムJ. Vis.

マイクロ流体ベースのマイクロインジェストロードシステム(薬物注入と電気生理学の複合)

ここでは、フォトリソグラフィーによる高分子マイクロニードルの金型フリー製造プロセスを説明するプロトコルを提示します。...

フォトリソグラフィ法により高分子マイクロニードルアレイの作製

脳組織のイオン濃度を測定するための2種類のイオン選択性微小電極（ダブルバレルと同心円状）の作製、較正、および特性を実演します。次に、これらをマウス海馬スライス調製に用い、興奮活性が細胞外カリウム濃度とナトリウム濃度の両方を変化させることを示します。...

脳組織における測定細胞外イオンの信号のための、二連と同心微小電極

我々は、複数のマイクロ流体チャネル中の粒子の検出及びサイズを多重化するために、符号分割多重アクセス（CDMA）を有する抵抗パルスセンシング（RPS）を組み合わせた統合表面電極ネットワークとマイクロ流体プラットフォームを示します。...

粒子の空間追跡のための多重化された電子の検出とマイクロ流体プラットフォーム

マイクロ流体バイオ センサー プラットフォームは、設計された、様々 な検体の迅速・高感度な定量化のため低コスト ドライ フィルム現像液の技術を用いて作製しました。この単回使用システムは、ストップ...

ドライ フィルムのレジストを用いた電気化学マイクロ流体バイオ プラットフォーム: デバイス作製、チップの試金の準備、およびシステム操作

高級櫛型電極の作製法 (ギャップと幅: 20 μ m) 注射針の先端に (直径: 720 μ m) フォトリソグラフィ工程でスプレー塗装と柔軟なフィルム...

医用フォトレジスト スプレー塗装と柔軟なフォトマスクを使用して皮下注射針の先端の微細電極の作製

静電容量センサーとの組み合わせでの刷り込みが分子を使用して複雑なソリューションで検出および低分子の定量化のプロトコルを紹介します。...

分子インプリントを用いたバイオ マーカーの超高感度検出による静電容量センサー

原稿はゼロバイアスショットキーダイオードに基づいて完全に受動の受信機回路と一緒にASK変調された無線出力とのミニチュア埋め込み型pHセンサーを提示する。このソリューションは、 生体内...

ゼロバイアスショットキーダイオードベース受信機を用いたpHモニタリング用ワイヤレス対応内視鏡型埋め込み型センサの構築

ここでは、メカノノード細孔センシング(mechano-NPS)と呼ばれるエレクトロニクスベースのマイクロ流体プラットフォームを使用して、単一細胞を機械的に表現型化する方法を示します。このプラットフォームは、細胞の弾性と粘性の両方の生物物理学的特性を測定しながら、1〜10細胞/秒の中程度のスループットを維持します。...

メカノノードポアセンシング:マルチパラメータシングルセル粘弾性測定のための迅速でラベルフリーのプラットフォーム

本研究は、研究者が溶剤鋳造法(マイクロモールディング)を用いて自らのDMAPデバイスを準備し、基本的な特性評価を行うための実践的なガイドとなることを目的としています。...

溶剤鋳造技術によるマイクロニードルアレイパッチの溶解およびマイクロニードルベースの生体医療機器の本質的特徴評価

学ぶ中空マイクロニードルベースのセンサ製造法。レーザー微細加工とカーボンペースト充填により、複数の分析物を同時検出する経皮電気化学デバイスを作製する。生体内マルチプレックスセンシングの応用を探索する。

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

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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