Name: Pusty czujnik mikroigłowy do multipleksowanego transdermalnego wykrywania elektrochemicznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania pustego czujnika mikroigłowego do multipleksowanego transdermalnego wykrywania elektrochemicznego. Technika umożliwia równoczesne pomiary wielu analitów w złożonych mikrośrodowiskach fizjologicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Sandia jest laboratorium wieloprogramowym zarządzanym przez Sandia Corporation, spółkę Lockheed Martin, dla Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Nuklearnego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie kontraktu DE-AC04-94AL85000. Autorzy potwierdzają otrzymanie finansowania z programu Laboratory Directed Research &amp; Development (LDRD) Sandia National Laboratories.

1. Wytwarzanie mikroił
<ol>
	<li>Za pomocą oprogramowania do modelowania trójwymiarowego Solidworks (Dassault Systemes SA, Velizy, Francja) zaprojektuj macierz pustych mikroigieł o kształcie piramidalnym (Rysunek 1).3-5</li>
	<li>Zaprojektuj strukturę wsporczą dla macierzy mikroigieł przy użyciu oprogramowania Magics RP 13 (Materialise NV, Leuven, Belgia). Struktura wsporcza umożliwia odpływ żywicy z urządzenia podczas wytwarzania i stanowi podstawę, na której budowane są mikroigły. Przykład struktury wsporczej przedstawiono na Rysunku 1.</li>
	<li>Powiązane pliki struktury wsporczej i macierzy mikroigieł zostają przesłane do oprogramowania Perfactory RP (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Niemcy), które steruje procesem wytwarzania. W tym pakiecie oprogramowania wybierz liczbę macierzy mikroigieł do wykonania i określ rozmieszczenie urządzeń na platformie produkcyjnej.</li>
	<li>Przeprowadź kalibrację w trybie ultrafioletowym przy 180 mW dla systemu szybkiego prototypowania Perfactory i zweryfikuj, czy odchyłka energii mieści się w granicach ±2 mW.</li>
	<li>Po zakończeniu procesu wytwarzania usuń macierze mikroigieł z płyty podstawowej i wywołaj w izopropanolu przez 15 minut. Osusz macierze sprężonym powietrzem, a następnie utwardź mikroigły w temperaturze pokojowej przez 50 sekund w systemie do dotwardzania Otoflash Postcuring System (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Niemcy), aby zapewnić pełną polimeryzację.</li>
	<li>Zwaliduj proces wytwarzania mikroigieł za pomocą mikroskopii i sprawdź, czy otwór każdej mikroigły jest pusty i drożny. W pełni wytworzone mikroigły przedstawiono na Rysunku 2.</li>
</ol>
2. Wytwarzanie macierzy elektrod z pasty węglowej
<ol>
	<li>Użyj systemu laserowego rastrowo-wektorowego CO2 Model 6.75 o mocy 60 W (Universal Laser Systems, Inc., Scottsdale, AZ), aby wyciąć otwory i odsłonić znajdujące się pod nimi, indywidualnie adresowalne miedziane przewody łączące w płaskiej taśmie elastycznej (21039-0249), pozyskanej z komercyjnego źródła (Molex Connector Corp., Lisle, IL) (Rycina 3 (A i B)). Umieść płaskie taśmy elastyczne w uchwycie, aby prawidłowo wyrównać je na płycie do ablacji laserowej. Zastosuj metodę rastrowania w celu utworzenia wnęk o średnicy 500 μm w części izolacyjnej taśmy elastycznej. Wzory ablacji są tworzone w programie CorelDraw (Corel, Ottawa, Ontario) i przesyłane do systemu laserowego.</li>
	<li>Oczyść zmodyfikowane płaskie taśmy elastyczne za pomocą aerografu rozpylającego aceton pod ciśnieniem 40 psi. Zakończ czyszczenie, płucząc je izopropanolem i wodą dejonizowaną. Zweryfikuj pod mikroskopem, czy nad odsłoniętymi miedzianymi paskami nie pozostała warstwa izolacyjna.</li>
	<li>Kolejnym krokiem jest utworzenie wnęki utrzymującej do wypełnienia pastami węglowymi. Taśma Melinex (grubość 0.002", jednostronnie powlekana akrylowym klejem wrażliwym na nacisk) jest poddawana ablacji zgodnie z tym samym wzorem co paski elektrod, orientowana nad ablowanymi paskami elektrod i ściskana pod ciśnieniem 3000 psi przez 2 minuty, aby zapewnić prawidłowe połączenie. W tym przypadku średnica wnęki wynosi 750 μm.</li>
	<li>Dodatkowa warstwa taśmy Melinex (grubość 0.004", dwustronnie powlekana akrylowym klejem wrażliwym na nacisk) jest następnie poddawana ablacji według tego samego wzoru co taśma jednostronnie klejąca i używana po wyrównaniu do połączenia matryc mikroigieł z matrycami elektrod z pasty węglowej.</li>
</ol>
3. Synteza funkcjonalnych past węglowych i wypełnianie wgłębień elektrod
<ol>
	<li>Pasta węglowa czuła na glukozę została przygotowana na podstawie wcześniejszej receptury poprzez mieszanie 10 mg oksydazy glukozowej i 2,2 mg poli(etyleniminy) aż do uzyskania homogenicznej mieszaniny.16 Do mieszaniny tej dodaje się 60 mg proszku rodu na węglu (ładowanie 5%). Następnie dodaje się 40 mg oleju mineralnego i miesza. Pasty przechowuje się w temperaturze 4 °C do momentu użycia; można ich używać do jednego tygodnia po przygotowaniu.</li>
	<li>Pastę węglową czułą na pH otrzymuje się poprzez zmieszanie 30% (m/m) oleju mineralnego i 70% (m/m) proszku grafitowego. Pastę należy wprowadzić do otworu elektrody zgodnie z opisem w sekcji 3.4. Przygotowuje się roztwór 10 mM soli diazoniowej Fast Blue RR (chlorek 4-benzoylamino-2,5-dimetoksybenzenodiazoniowy półchlorek cynku) w 0,5 M kwasie fosforowym.17 Kroplę 20 μl tego roztworu nanosi się na elektrodę z wprowadzoną pastą i pozostawia na 30 minut w celu spontanicznej chemisorpcji soli diazoniowej Fast Blue PR. Następnie płucze się wodą dejonizowaną i przechowuje w buforze lub wodzie dejonizowanej, gdy elektroda nie jest używana.</li>
	<li>Pasta węglowa czuła na mleczan została przygotowana na podstawie wcześniejszej receptury poprzez zmieszanie 2,5 mg proszku rodu na węglu i 2,5 mg oksydazy mleczanowej, naprzemiennie stosując 5 minut sonikacji i 5 minut mieszania w vorteksie przez pięć cykli.18</li>
	<li>Wprowadzanie zmodyfikowanych past do przygotowanej płaskiej taśmy elastycznej odbywa się poprzez nakładanie odpowiednich past na otwory elektrod. Do wygładzenia pasty używa się cienkiego kawałka plastiku (np. krawędzi plastikowej łódki wagowej), ubijając pastę aż do uzyskania gładkiej powierzchni. Czynność powtarza się z drugą, czystą łódką wagową, aż do usunięcia nadmiaru pasty. Następnie płucze się wodą dejonizowaną. Schemat przedstawiający ablację laserową w celu stworzenia otworów, wprowadzanie past węglowych oraz integrację mikroił dożylnych (opisane w sekcjach 2 i 3) znajduje się na Ryc. 3.</li>
</ol>
4. Detekcja i kalibracja czujnika
<ol>
	<li>Wykrywanie mleczanu odbywa się poprzez pomiar odpowiedzi chronoamperometrycznej czujnika przy -0.15 V i zapisanie natężenia prądu po 15 sekundach w 0.1 M buforze fosforanowym (pH=7.5). Rysunek 4(a) przedstawia schemat reakcji elektrokatalitycznej służącej do wykrywania mleczanu.</li>
	<li>Wykrywanie glukozy przeprowadza się w podobny sposób, mierząc odpowiedź chronoamperometryczną czujnika przy -0.05 V i zapisując natężenie prądu po 15 sekundach w 0.1 M buforze fosforanowym (pH 7.0). Rysunek 4(b) przedstawia schemat reakcji elektrokatalitycznej służącej do wykrywania glukozy.</li>
	<li>Wartość pH monitoruje się poprzez przeprowadzanie skanów woltamperometrii cyklicznej w zakresie od -0.7 V do 0.8 V przy prędkości 100 mV/s i zapisywanie pozycji potencjału piku utleniania. Schemat reakcji redoks dla pomiaru pH przedstawiono na Rysunku 5.</li>
	<li>Krzywe kalibracyjne dla czujników glukozy i mleczanu można stworzyć poprzez sukcesywne dodawanie odpowiedniego anality; pomiary chronoamperometryczne wykonuje się po każdym dodaniu analitytu, zgodnie z opisem w sekcjach 5.1 i 5.2. Alternatywnie, pomiary chronoamperometryczne przy stałym potencjale można przeprowadzić podczas mieszania, pozostawiając wystarczający czas (~10-100 sekund) między kolejnymi dodaniami analitytu w celu stabilizacji prądu.</li>
	<li>Krzywe kalibracyjne pH można stworzyć poprzez pomiar pozycji potencjału piku utleniania w serii znanych wartości pH od 5 do 8 w odstępach 1.0 jednostki pH i zapisywanie woltamperogramów cyklicznych zgodnie z opisem w sekcji 5.3.</li>
</ol>
5. Reprezentatywne wyniki
Podczas pozyskiwania krzywych chronoamperometrycznych (np. w celu detekcji glukozy lub mleczanu) w niezmąconych roztworach przy użyciu mikronigieł wypełnionych zmodyfikowaną pastą węglową, natężenie prądu natychmiast spadnie po przyłożeniu odpowiedniego potencjału detekcji. Ostatecznie prąd ten zmaleje do wartości stanu stacjonarnego. Reprezentatywny wynik przedstawiono na Rysunku 6; wynik ten uzyskano po dodaniu 2 mM mleczanu i rejestracji za pomocą mikronigły do mleczanu. Po każdym dodaniu mleczanu roztwór należy krótko zamieszać. Natężenie prądu po 15 sekundach wzrasta wraz ze zwiększeniem stężenia mleczanu; odpowiedź prądową można następnie wykorzystać do oznaczenia stężenia mleczanu w nieznanym roztworze. Alternatywnie można zastosować ciągłe monitorowanie w zamieszanym roztworze (lub w przepływie), co zademonstrowano dla roztworu o rosnącym stężeniu glukozy (Rysunek 5). Ponownie, wzrost natężenia prądu przy zwiększaniu stężenia glukozy może służyć do standaryzacji odpowiedzi na glukozę w nieznanym roztworze. Po każdym skoku stężenia należy odczekać odpowiedni czas, aby umożliwić stabilizację roztworu. Woltamperogramy cykliczne zarejestrowane mikronigłą czułą na pH w 0,1 M buforze fosforanowym dla czterech różnych roztworów o pH od 5 do 8 w odstępach 1 jednostki pH przedstawiono na Rysunku 6. Potencjał piku utleniania przesuwa się wraz ze wzrostem pH; zjawisko to jest wykorzystywane jako wskaźnik wartości pH.
<img alt="Schemat mikrofabrykacji; trójkątne mikrostruktury; koncepcja projektu 3D; analiza symulacyjna." src="/files/ftp_upload/4067/4067fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Obrazy pliku STL macierzy mikroił oraz stworzonej w Solidworks (A) oraz zrzut ekranu przedstawiający strukturę wsporczą (B).
<img alt="Obrazy SEM mikrofabrykowanych struktur, macierzy stożków (A) oraz szczegółu pojedynczego stożka (B), wykonane w NCSU." src="/files/ftp_upload/4067/4067fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Mikrografie elektronowe skaningowe macierzy mikroił (A) oraz pojedynczej mikroigły w obrębie tej macierzy (B).
<img alt="Schemat czujnika na elastycznym płaskim kablu; przedstawiono etapy ablacji laserowej, nakładania pasty węglowej i montażu matrycy mikroiłek." src="/files/ftp_upload/4067/4067fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Schemat montażu elastycznego płaskiego kabla. Przedstawione etapy obejmują modyfikację elastycznego płaskiego kabla (A), ablację wzorowanych kół (B), dodanie wstępnie poddanej ablacji warstwy Melinex wypełnionej pastą węglową (C) oraz dodanie drugiej poddanej ablacji warstwy Melinex i połączenie z matrycą mikroiłek (D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4067/4067fig3large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinę</a>.
<img alt="Wykres kinetyki elektrochemicznej przedstawiający zależność natężenia prądu od czasu w analizie stężenia, ukazujący sześć krzywych." src="/files/ftp_upload/4067/4067fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Kalibracja pasty czułej na mleczan z wykorzystaniem 15-sekundowych pomiarów chronoamperometrycznych przy -0.15 V w 0.1 M buforze fosforanowym (pH=7.5). Każdy wzrost natężenia prądu odpowiada dodaniu 2 mM mleczanu.
<img alt="Wpływ stężenia glukozy na prąd; wykres pokazujący stopniowy spadek prądu przy dodaniu 2 mM glukozy." src="/files/ftp_upload/4067/4067fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Kalibracja elektrody pastowej czułej na glukozę podczas skanów chronoamperometrycznych przy -0.05 V. Każdy spadek odpowiedzi odpowiada dodaniu 2 mM glukozy. Podczas kalibracji mieszano 0.1 M roztwór buforu fosforanowego (pH=7.0). W badaniu zastosowano zewnętrzne elektrody referencyjną Ag/AgCl i pomocniczą Pt.
<img alt="Wykres woltamperometrii cyklicznej; zależność prąd-potencjał; wpływ pH: 5,0, 6,0, 7,0, 8,0; elektrochemia." src="/files/ftp_upload/4067/4067fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. Woltamperogram cykliczny (CV) pasty węglowej wrażliwej na pH w 0,1 M buforze fosforanowym w zakresie pH 5-8 z krokiem 1 jednostki pH (turkusowy=pH 8,0, zielony=pH 7,0, fioletowy=pH 6,0, czerwony=pH 5,0). Do analizy wykorzystano piąty CV względem elektrody odniesienia Ag/AgCl oraz platynowej elektrody pomocniczej w formie drutu.

<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>
<li>Prausnitz, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microneedles+for+transdermal+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Drug+Deliv.+Rev%22%5BJournal%5D)">Microneedles for transdermal drug delivery.</a> Adv. Drug Deliv. Rev. 56, 581-587 (2004).</li>
<li>Miller, P. R., Gittard, S. D., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Xiao, X., Wheeler, D. R., Monteiro-Riviere, N. A., Brozik, S. M., Polsky, R., Narayan, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrated+carbon+fiber+electrodes+within+hollow+polymer+microneedles+for+transdermal+electrochemical+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Integrated carbon fiber electrodes within hollow polymer microneedles for transdermal electrochemical sensing.</a> Biomicrofluidics. 5, 013415-013415 (2011).</li>
<li>Windmiller, J. R., Zhou, N., Chuang, M. C., Valdés-Ramírez, G., Santhosh, P., Miller, P. R., Narayan, R., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microneedle+array-based+carbon+paste+amperometric+sensors+and+biosensors%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Microneedle array-based carbon paste amperometric sensors and biosensors.</a> Analyst. 136, 1846-1851 (2011).</li>
<li>Windmiller, J. R., Valdés-Ramírez, G., Zhou, N., Zhou, M., Miller, P. R., Jin, C., Brozik, S. M., Polsky, R., Katz, E., Narayan, R., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bicomponent+microneedle+array+biosensor+for+minimally-invasive+glutamate+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanal%22%5BJournal%5D)">Bicomponent microneedle array biosensor for minimally-invasive glutamate monitoring.</a> Electroanal. 23, 2302-2309 (2011).</li>
<li>Ricci, F., Moscone, D., Palleschi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ex+vivo+continuous+glucose+monitoringwith+microdalysis+technique%3A+The+example+of+GlucoDay%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+J%22%5BJournal%5D)">Ex vivo continuous glucose monitoringwith microdalysis technique: The example of GlucoDay.</a> IEEE Sensors J. 8, 63-70 (2008).</li>
<li>Zimmermann, S., Fienbork, D., Flounders, A. W., Liepmann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-device+enzyme+immobilization%3A+Wafer-level+fabrication+of+an+integrated+glucose%5BTitle%5D)+AND+%22Sens.+Actuat.+B%22%5BJournal%5D)">In-device enzyme immobilization: Wafer-level fabrication of an integrated glucose.</a> Sens. Actuat. B. 99, 163-173 (2004).</li>
<li>Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiplexed+microneedle-based+biosensor+array+for+characterization+of+metabolic+acidosis%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis.</a> Biomicrofluidics. 88, 739-742 (2012).</li>
<li>Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiplexed+microneedle-based+biosensor+array+for+characterization+of+metabolic+acidosis%5BTitle%5D)+AND+%22Talanta%22%5BJournal%5D)">Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis.</a> Talanta. 88, 739-742 (2012).</li>
<li>Rofstad, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microenvironment-induced+cancer+metastasis%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Radiat.+Biol%22%5BJournal%5D)">Microenvironment-induced cancer metastasis.</a> Int. J. Radiat. Biol. 76, 589-605 (2000).</li>
<li>Vander Heiden, M. G., Cantley, L. C., Thompson, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+the+Warburg+effect%3A+the+metabolic+requirements+of+cell+proliferation%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation.</a> Science. 324, 1029-1033 (2009).</li>
<li>Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+metabolism+of+tumors+in+the+body%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Gen.+Physiol%22%5BJournal%5D)">The metabolism of tumors in the body.</a> J. Gen. Physiol. 8, 519-530 (1927).</li>
<li>The Tumour Microenvironment: Causes and Consequences of Hypoxia and Acidity. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Novartis+Foundation+Symposium+240%22">Novartis Foundation Symposium 240</a>. Goode, J. A., Chadwick, D. J. , John Wiley & Sons, Ltd. (2008).</li>
<li>Cardone, R. A., Casavola, V., Reshkin, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+disturbed+pH+dynamics+and+the+Na%2B%2FH%2B+exchanger+in+metastasis%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Rev.+Cancer%22%5BJournal%5D)">The role of disturbed pH dynamics and the Na+/H+ exchanger in metastasis.</a> Nature Rev. Cancer. 5, 786-795 (2005).</li>
<li>Robergs, R. A., Ghiasvand, F., Parker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biochemistry+of+exercise-induced+metabolic+acidosis%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis.</a> Am. J. Phys. 287, R502-R516 (2004).</li>
<li>Wang, J., Liu, J., Chen, L., Lu, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+selective+membrane-free%2C+mediator-free+glucose+biosensor%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Highly selective membrane-free, mediator-free glucose biosensor.</a> Anal. Chem. 66, 3600-3603 (1994).</li>
<li>Makos, M. A., Omiatek, D. M., Ewing, A. G., Heien, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+characterization+of+a+voltammetric+carbon-fiber+microelectrode+pH+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Development and characterization of a voltammetric carbon-fiber microelectrode pH sensor.</a> Langmuir. 26, 10386-10391 (2010).</li>
<li>Wang, J., Chen, Q., Pedrero, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+selective+biosensing+of+lactate+at+lactate+oxidase+containing+rhodium-dispersed+carbon+paste+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem.+Acta%22%5BJournal%5D)">Highly selective biosensing of lactate at lactate oxidase containing rhodium-dispersed carbon paste electrodes.</a> Anal. Chem. Acta. 304, 41-46 (1995).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Przed wykonaniem urządzenia rozważono wiele aspektów konstrukcji tego czujnika opartego na mikroigłach. Aby możliwe było zastosowanie tego czujnika do detekcji w czasie rzeczywistym, czas odpowiedzi czujnika musi być krótki; w niniejszym protokole każdy przetestowany czujnik wykazywał czas odpowiedzi poniżej piętnastu sekund. Pasty użyte w tym protokole zostały również dobrane ze względu na ich selektywność w obrębie in vivo środowiska, które zawierają elektroaktywne biomolekuły mogące zakłócać odpowiedź elektro...

czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing

Opracowanie małoinwazyjnego, multipleksowego systemu monitorowania do szybkiej analizy cząsteczek istotnych biologicznie mogłoby umożliwić osobom cierpiącym na przewlekłe schorzenia łatwą ocenę ich aktualnego stanu fizjologicznego. Ponadto mogłoby ono służyć jako narzędzie badawcze do analizy złożonych, wieloczynnikowych stanów chorobowych. Aby taki czujnik wieloanalityczny mógł zostać zrealizowany, musi on być małoinwazyjny, pobieranie płynu śródmiąższowego musi odbywać się bez bólu i szkody dla użytkownika, a analiza musi być szybka oraz selektywna.
Mikroigły, początkowo opracowane w celu bezbolesnego podawania leków, były wykorzystywane do dostarczania szczepionek oraz czynników farmakologicznych (np. insuliny) przez skórę.1-2 Ponieważ urządzenia te mają dostęp do przestrzeni śródmiąższowej, mikroigły zintegrowane z mikroelektrodami mogą służyć jako transdermalne czujniki elektrochemiczne. Wykazano możliwość selektywnej detekcji glukozy, glutaminianu, mleczanu, nadtlenku wodoru oraz kwasu askorbinowego przy użyciu zintegrowanych urządzeń typu mikroigła-elektroda, w których elementami przetwarzającymi były włókna węglowe, zmodyfikowane pasty węglowe oraz polimerowe mikroigły powlekane platyną.3-7,8
Ta technologia sensorów z mikroigłami umożliwiła zastosowanie nowatorskiego i zaawansowanego podejścia analitycznego do jednoczesnej detekcji wielu analitów in situ. Multipleksowanie stwarza możliwość monitorowania złożonych mikrośrodowisk, które w przeciwnym razie byłyby trudne do szybkiej i małoinwazyjnej charakterystyki. Przykładowo, technologia ta mogłaby zostać wykorzystana do jednoczesnego monitorowania pozakomórkowych poziomów glukozy, mleczanów i pH,9 które są istotnymi wskaźnikami metabolicznymi stanów chorobowych7,10-14 (np. proliferacji nowotworowej) oraz kwasicy wysiłkowej.15

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje konstrukcję multipleksowego czujnika opartego na mikroiigłach. Urządzenie to jest opracowywane w celu prowadzenia pobierania próbek in situ oraz analizy elektrochemicznej wielu analitów w sposób szybki i selektywny. Przewidujemy zastosowanie tych czujników opartych na mikroigłach w medycynie klinicznej oraz badaniach biomedycznych.

Czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Opracowanie małoinwazyjnego, multipleksowego systemu monitorowania do szybkiej analizy cząsteczek istotnych biologicznie mogłoby zaoferować osobom...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykonanie multipleksowego czujnika opartego na mikroigłach do transdermalnej detekcji elektrochemicznej różnych analitów docelowych, które mogą być mierzone jednocześnie. Pierwszym krokiem jest wykonanie macierzy pustych w środku mikroigieł przy użyciu litografii z wykorzystaniem wosku oraz stworzenie wgłębień pod macierz elektrod za pomocą mikroobróbki laserowej. Następnie należy przygotować poszczególne pasty węglowe i wypełnić nimi wgłębienia macierzy elektrod.Następnie należy skalibrować każdą z past węglowych w zakresie stężeń istotnych fizjologicznie. W efekcie powstaje transdermalne urządzenie elektrochemiczne in vivo, które pozwala na jednoczesny pomiar wielu analitów w złożonych mikrośrodowiskach fizjologicznych w ramach różnorodnych zastosowań biomedycznych. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami jest możliwość prowadzenia detekcji multipleksowej w sposób małoinwazyjny.Urządzenie to może być wykorzystywane jako narzędzie badawcze do pomiaru ostrych odpowiedzi medycznych, zrozumienia adaptacji podczas wysiłku fizycznego oraz monitorowania chorób skóry. Zastosowania tego czujnika z mikroigłami InVivo obejmują diagnostykę nowotworów skóry, ponieważ mikrośrodowisko guza może służyć jako wskaźnik proliferacji i przerzutów nowotworowych. Naszym celem przy opracowaniu tego urządzenia było wykorzystanie macierzy mikroigieł jako małoinwazyjnego mechanizmu uzyskiwania dostępu do płynu śródmiąższowego skóry w celu przeprowadzenia analizy elektrochemicznej.Rozpocznij pracę w oprogramowaniu do modelowania trójwymiarowego SolidWorks i zaprojektuj pustą w środku macierz mikroigieł o kształcie paramentalnym. Następnie, używając oprogramowania Magic's RP 13, zaprojektuj strukturę wsporczą, która zapewni podstawę, na której zostaną zbudowane mikroigły. W kolejnym kroku steruj procesem wytwarzania, korzystając z oprogramowania refaktoryjnego RP.Prześlij pliki zarówno połączonego wspornika, jak i matrycy mikroiłek. Następnie wybierz liczbę matryc mikroiłek do wytworzenia i określ rozmieszczenie urządzeń na płytce produkcyjnej w systemie szybkiego prototypowania pery. Wybierz tryb ultrafioletowy o mocy 100 milliwattów i przeprowadź procedurę kalibracji.Zweryfikuj, czy odchylenie energii mieści się w przedziale plus lub minus dwa milliwaty. Po zakończeniu procesu wytwarzania macierzy mikroił, wyjmij macierz z płyty podstawowej. Wywołaj w izopropanolu przez 15 minut.Następnie osusz matryce sprężonym powietrzem, aby zapewnić pełną polimeryzację. Utwardzaj mikroigły w temperaturze pokojowej przez 50 sekund. Przebadaj mikroigły za pomocą mikroskopii świetlnej.Należy zweryfikować, czy otwór każdej w pełni wykonanej mikroiły jest pusty i drożny. Odsłonić znajdujące się poniżej, indywidualnie adresowalne miedziane przewody łączące w płaskim, elastycznym kablu. Stworzyć wzory dla ablacji laserowej i przesłać te wzory do systemu laserowego.Następnie umieść kable w uchwycie, aby odpowiednio wyrównać je na płytce do ablacji laserowej; stosując podejście z góry, wykonaj otwory o średnicy 500 mikrometrów w izolacyjnej części elastycznego kabla. Oczyść zmodyfikowane płaskie kable elastyczne za pomocą aerografu rozpylającego aceton pod ciśnieniem 40 PSI, a następnie wypłucz izopropanolem i wodą dejonizowaną, kontrolując proces pod lekkim mikroskopem.Upewnij się, że na odsłoniętych miedzianych paskach nie pozostała żadna folia izolacyjna. Kolejnym krokiem jest utworzenie otworu stabilizującego dla past węglowych za pomocą taśmy ABL melanox zawierającej jednostronny akrylowy klej wrażliwy na nacisk, zgodnie z wzorem użytym wcześniej dla pasków elektrod. Teraz ułóż taśmę nad ablacyjnie przygotowanymi paskami elektrod.Dociśnij taśmę, aby zapewnić właściwe połączenie. Następnie usuń zabezpieczenie z dwustronnej taśmy melin X i wyrównaj taśmę, aby umożliwić połączenie macierzy mikroił i macierzy elektrod z pasty węglowej. Wymieszaj 10 mg oksydazy glukozowej i 2,2 mg polietylenoaminy, tworząc jednorodną, czułą na glukozę pastę węglową.Następnie dodaj 60 mg proszku rodu na węglu i wymieszaj z 40 mg oleju mineralnego. Pastę przechowuj w temperaturze 4 °C. W przypadku pasty węglowej wrażliwej na pH wymieszaj 30% oleju mineralnego i 70% proszku grafitowego. Używając cienkiego kawałka plastiku jako szpachelki, wypełnij jamę elektrody pastą, aż do uzyskania gładkiej powierzchni.Powtórz czynność z drugą czystą łódką wagową, aż do usunięcia nadmiaru pasty. Następnie przemyj oddejonizowaną wodą. Potem nanieś kroplę 20 µL świeżo przygotowanego roztworu fast blue na elektrodę z upakowaną pastą.Po 30-minutowym okresie inkubacji przepłukać wodą dejonizowaną w przypadku elektrody z pasty węglowej czułej na mleczan. Połączyć 2,5 mg proszku rodu na węglu z 2,5 mg oksydazy mleczanowej. Stosować naprzemiennie pięć minut sonikacji i pięć minut mieszania w wirówce (vortexowaniu) przez pięć cykli.Następnie należy wprowadzić pastę do otworu elektrody. Na koniec wypłukać wodą dejonizowaną w celu wykrycia mleczanu. Zmierzyć odpowiedź chrono- i parametryczną sensora i zapisać natężenie prądu po 15 sekundach w celu wykrycia glukozy.Zmierz odpowiedź chronoamperometryczną czujnika, aby kolejno sporządzić krzywe kalibracyjne dla czujników mleczanu i glukozy. Przed pomiarami chrono i parametrycznymi dodaj odpowiedni anality. Alternatywnie, przeprowadź pomiary chrono i parametryczne przy stałym potencjale podczas mieszania.Należy pozostawić odpowiednią ilość czasu pomiędzy każdym dodaniem anality w celu stabilizacji prądu. Aby monitorować pH, należy przeprowadzić cykliczne skanowanie woltamperometryczne i zarejestrować wartości potencjałów szczytowych utleniania; krzywe kalibracyjne pH tworzy się poprzez pomiar pozycji potencjału szczytowego utleniania w zarejestrowanych woltamperogramach cyklicznych dla serii znanych wartości pH. Proces konstrukcji multipleksowego czujnika opartego na mikroigłach rozpoczyna się od zaprojektowania matrycy mikroigieł w programie SolidWorks, a następnie zaprojektowania struktur wsporczych w programie Magic's RP 13.Te mikrografie z elektronowego mikroskopu skaningowego przedstawiają macierz mikronigieł oraz pojedynczą mikronigłę w obrębie tej macierzy. Platforma sensoryczna czujnika opartego na mikronigłach została stworzona poprzez zastosowanie ablacji laserowej w celu wytworzenia macierzy elektrod w płaskim, elastycznym kablu, a następnie wypełnienie tych macierzy pastą węglową. Reakcje elektrokatalityczne dla glukozy i mleczanu są przedstawione wraz z parametrami operacyjnymi dla detekcji.Ta typowa kalibracja pasty wrażliwej na mleczan z 15-sekundowymi skanami chronometrycznymi pokazuje każdy wzrost prądu odpowiadający dodaniu 2 mM mleczanu. Wykorzystuje się pojedynczy ciągły skan chronometryczny, podczas gdy monitorowanie kalibracji sensora względem glukozy odbywa się poprzez dodawanie kolejnych stężeń glukozy i oczekiwanie na stabilizację prądu. Ten schemat przedstawia reakcje elektrokatalityczne służące do detekcji kwasowości; tutaj przedstawiono woltamperogramy cykliczne dla mikroiły wrażliwej na pH w 0,1 M buforze fosforanowym dla czterech różnych roztworów o wartościach pH od 5 do 8 w odstępach jednej jednostki.Ponieważ potencjał piku oksydacyjnego przesuwa się wraz ze wzrostem wartości pH, zjawisko to jest wykorzystywane jako wskaźnik wartości pH. Po opanowaniu techniki urządzenie to można prawidłowo wykonać w ciągu dwóch dni. Podczas przeprowadzania tej procedury należy pamiętać, że poszczególne pasty węglowe utracą swoją selektywność, jeśli zostaną ze sobą zmieszane.Po zastosowaniu tej procedury do macierzy elektrod można dodać dodatkową selektywną warstwę węgla w celu monitorowania innych analitów w skórze. Opracowanie tego urządzenia może utorować drogę badaczom z dziedziny czujników ubieralnych do przeprowadzania diagnostyki medycznej oraz zgłębiania fundamentalnych zagadnień z zakresu nauk biomedycznych.

hollow-microneedle-based-sensor-for-multiplexed-transdermal

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Czujnik oparty na wydrążonej mikroigle do wielokrotnego czujnictwa elektrochemicznego przez skórę

Źródło: Vanegas, M. I., et al. System mikroiniekcji do skojarzonego wlewu leków i elektrofizjologii. J. Vis. Exp. (2019 rok)Ten film przedstawia urządzenie mikroprzepływowe oparte na mikroelektrodach, które dostarcza roztwór leku przez rurkę kapilarną, wykorzystując roztwór markera na bazie oleju do precyzyjnego śledzenia objętości i umożliwiając jednoczesny zapis neuronowy i wlew leku.

System mikroiniekcji mikroprzepływowej do skojarzonego infuzji leków i elektrofizjologii

Tutaj prezentujemy protokół opisujący proces wytwarzania mikroigieł polimerowych bez formy za pomocą fotolitografii.

Wytwarzanie polimerowych matryc mikroigłowych za pomocą fotolitografii

Demonstrujemy wykonanie, kalibrację i właściwości dwóch typów mikroelektrod selektywnych jonowo (dwulufowych i koncentrycznych) do pomiaru stężeń jonów w tkance mózgowej. Są one następnie wykorzystywane w przygotowaniu plastra hipokampa myszy, aby pokazać, że aktywność pobudzająca zmienia zarówno zewnątrzkomórkowe stężenie potasu, jak i sodu.

Dwulufowe i koncentryczne mikroelektrody do pomiaru zewnątrzkomórkowych sygnałów jonowych w tkance mózgowej

Prezentujemy platformę mikroprzepływową ze zintegrowaną siecią elektrod powierzchniowych, która łączy rezystancyjne wykrywanie impulsów (RPS) z wielokrotnym dostępem z podziałem kodu (CDMA), do wielokrotnego wykrywania i wymiarowania cząstek w wielu kanałach mikroprzepływowych.

Platforma mikroprzepływowa z multipleksowaną detekcją elektroniczną do przestrzennego śledzenia cząstek

Platforma mikroprzepływowego biosensoru została zaprojektowana i wykonana przy użyciu taniej technologii fotorezystu z suchą folią do szybkiej i czułej kwantyfikacji różnych analitów. Ten jednorazowy system pozwala na elektrochemiczny odczyt testów enzymatycznych immobilizowanych na chipie za pomocą techniki stop-flow.

Elektrochemiczna platforma biosensorów mikroprzepływowych oparta na suchym filmie fotorezystu: produkcja urządzenia, przygotowanie testu na chipie i obsługa systemu

Metoda wytwarzania cienkich elektrod międzypalcowych (szczelina i szerokość: 20 μm) na końcu igły podskórnej (średnica: 720 μm) jest demonstrowana przy użyciu powłoki natryskowej i elastycznej folii fotomaski w procesie fotolitografii.

Wytwarzanie cienkich elektrod na końcówce igły podskórnej przy użyciu powłoki Photoresist Spray Coating i elastycznej fotomaski do zastosowań biomedycznych

Rękopis przedstawia miniaturowy wszczepialny czujnik pH z modulowanym wyjściem bezprzewodowym ASK wraz z w pełni pasywnym obwodem odbiornika opartym na diodach Schottky'ego o zerowym polaryzacji. Rozwiązanie to może być wykorzystane jako podstawa do opracowywania urządzeń do terapii elektrostymulacji kalibrowanych in vivo oraz do ambulatoryjnego monitorowania pH.

Budowa bezprzewodowego endoskopowo wszczepialnego czujnika do monitorowania pH z odbiornikiem opartym na diodzie Schottky'ego o zerowym odchyleniu

Przedstawiona tutaj jest metoda mechanicznego fenotypowania pojedynczych komórek za pomocą opartej na elektronice platformy mikroprzepływowej zwanej mechano-node-pore sensing (mechano-NPS). Platforma ta utrzymuje umiarkowaną przepustowość 1-10 komórek/s, mierząc zarówno elastyczne, jak i lepkie właściwości biofizyczne komórek.

Mechano-Node-Pore Sensing: szybka, niewymagająca oznaczeń platforma do wieloparametrowych pomiarów lepkosprężystych pojedynczych komórek

Egzosomy mają znaczny potencjał kliniczny, ale ich praktyczne zastosowanie jest ograniczone ze względu na łatwą klirens in vivo i słabą stabilność. Mikroigły stanowią rozwiązanie, umożliwiając miejscowe dostarczanie poprzez przebijanie barier fizjologicznych i zachowanie stanu suchego, rozwiązując w ten sposób ograniczenia podawania egzosomów i rozszerzając ich użyteczność kliniczną.

Wytwarzanie i charakterystyka plastrów mikroigłowych do ładowania i dostarczania egzosomów

Niniejsze prace mają na celu służyć jako praktyczny przewodnik, umożliwiający badaczom przygotowanie własnych urządzeń DMAP przy użyciu metody odlewania rozpuszczalnika, znanej również jako mikroformowanie, oraz przeprowadzenie podstawowej charakterystyki.

Rozpuszczające plastry mikroigłowych wytwarzane techniką odlewania rozpuszczalnika oraz niezbędna charakterystyka urządzeń biomedycznych opartych na mikroigłach

Poznaj metodę wytwarzania pustego czujnika mikroigłowego do multipleksowanego transdermalnego wykrywania elektrochemicznego. Technika umożliwia równoczesne pomiary wielu analitów w złożonych mikrośrodowiskach fizjologicznych.

Czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Przeglądaj więcej filmów