Методическая статья

Полые микроиглы на основе датчиков для электрохимических мультиплексный Трансдермальные зондирования

DOI:

10.3791/4067

⸱

1 июня 2012 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Joint Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina and North Carolina State University, 2Department of Biosensors and Nanomaterials, Sandia National Laboratories

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В данной статье подробно строительство мультиплексированных микроиглы на основе датчика. Устройство разрабатывается на месте отбора проб и электрохимического анализа нескольких аналитов в быстрое и избирательно. Мы предполагаем, клинической медицины и биомедицинских исследований используются для этих микроиглы на основе датчиков.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Развитие минимально инвазивной мультиплексированных системы мониторинга для экспресс-анализа биологически соответствующих молекул может предложить лицам, страдающим хроническими заболеваниями поверхностное оценки их ближайших физиологического состояния. Кроме того, она может служить в качестве исследовательского инструмента для анализа сложных, многофакторных заболеваний. Для того чтобы такие multianalyte датчик будет реализована, она должна быть минимально инвазивной, отбор проб из межклеточной жидкости должен происходить без боли и вреда для пользователя, и анализ должен быть быстрым, а также избирательно.

Изначально разработанный для безболезненной доставки лекарств, микроиглы были использованы для доставки вакцин и фармакологических агентов (например, инсулина), через кожу. 1-2 Поскольку эти устройства доступа интерстициальном пространстве, микроигл, которые интегрированы с микроэлектродов может быть использован в качестве трансдермальных электрохимические датчики. Селективное обнаружение глюкозы, глутамат, лактат, чydrogen перекиси, и аскорбиновой кислоты была продемонстрирована с использованием интегрированного микроиглы электродов устройства с углеродными волокнами, изменение пасты углерода и платиновым покрытием микроигл полимер, выступающей в качестве элементов трансдукции. 3-7,8

Это микроиглы сенсорная технология позволила новым и сложным аналитическим подходом к на месте и одновременного определения нескольких аналитов. Мультиплексирование дает возможность мониторинга сложных микросреды, которые иначе трудно охарактеризовать в быстром и минимально инвазивной образом. Например, эта технология может быть использована для одновременного мониторинга внеклеточного уровня, глюкозы, лактата и рН 9, которые являются важными метаболическими показателями болезненных состояний 7,10-14 (например, рак распространение) и физической нагрузкой ацидоз 15.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Изготовление микроиглы

  1. Использование трехмерного моделирования программного обеспечения SolidWorks (Dassault Systemes SA, Велизи, Франция), создать пирамидальную форму полого массив микроиглы (рис. 1). 3-5
  2. Разработка структуры поддержки для массива с помощью микроиглы Magics RP 13 программ (Materialise Н.В., Левен, Бельгия). Поддержка структура позволяет смолы для слива из устройства при изготовлении и служит основой, на которой строятся микроигл. Структура пример поддержки показано на рисунке 1.
  3. Связаны поддержки и микроиглы файлов массива загружаются в Perfactory RP программное обеспечение (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Германия), который контролирует процесс изготовления. В рамках этого программного пакета, выбрать количество микроиглы массивов должны быть изготовлены и определить размещение устройств по изготовлению пластин.
  4. Выполните калибровку в ультрафиолетовом режиме при 180 мВт Perfactory быстрого пр.ototyping системы производства и проверки отклонений в энергии в пределах ± 2 мВт.
  5. После завершения изготовления, удалите микроиглы массивов из опорной плиты и развиваться в изопропанол в течение 15 минут. Высушите массивов с помощью сжатого воздуха и вылечить микроигл при комнатной температуре в течение 50 секунд в системе Otoflash Postcuring (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Германия) для обеспечения полной полимеризации.
  6. Подтвердить микроиглы производства по микроскопии и убедиться, что каждое отверстие микроиглы полая и беспрепятственно. Полностью изготовленный микроигл показано на рисунке 2.

2. Производство углеродных массивов вставить электрод

  1. Используйте 60 Вт Модель 6,75 CO 2 растровых / векторных лазерная система (Universal Laser Systems, Inc, Скоттсдейл, Аризона), чтобы вырезать отверстия и разоблачить основные индивидуально адресуемых подключения медных проводов в квартире, гибкий кабель (21039-0249), который был получены из коммерческих источников (MoРазъем закон корпорации, Лиль, Иллинойс) (рис. 3 (А и В)). Поместите плоские гибкие кабели в джиг правильно выровнять их на тарелку лазерной абляции. Используйте rastering подход к созданию 500 мкм диаметром полости в изоляционной часть гибкого кабеля. Шаблоны для удаления создаются в CorelDraw (Corel, Оттава, Онтарио) и отправлены в лазерной системе.
  2. Очистите изменение плоские гибкие кабели с помощью аэрографа, что брызги ацетона при 40 атм. Завершить их очистки путем промывания изопропанола и деионизированной водой. Проверка под микроскопом, что не изолирующей пленки остается более открытой полоски меди.
  3. Следующим шагом является создание холдинговой полость для упаковки углерода пасты. Melinex ленты (0.002 "Толщина покрытием на одной стороне с самоклеющейся акрил) в удалена с той же схеме, как электрод полос, ориентированных на удаленной полосы электрода, и сжимается в 3000 фунтов на квадратный дюйм в течение 2 минут, чтобы обеспечить правильное подключение. В это оккак таковой, полость диаметром 750 мкм.
  4. Дополнительный слой ленты Melinex (0.004 "Толщина покрыта с двух сторон с самоклеющейся акрил), впоследствии удалена в той же схеме, односторонние клейкие ленты и используется после выравнивания в связи микроиглы массивы массивов углеродных электродов пасты .

3. Синтез функциональной Пасты углерода и упаковки из электродов Кариес

  1. Глюкоза чувствительные пасты углерода базируется на предыдущем рецепте и получается путем смешивания 10 мг оксидаза глюкозы и 2,2 мг поли (этиленимина) до получения однородной смеси. 16 К этой смеси 60 мг родия на угольный порошок ( 5% загрузки) добавляется. 40 мг нефтепродуктов добавляется, а затем смешиваются. Пасты хранятся при температуре 4 ° С до использования; паст используются в течение одной недели после приготовления.
  2. РН чувствительной пасты углерода получают путем смешивания 30% (в / в) нефти и 70% (в / в) с графитовымowder. Пакет вставить в полости электрода, как описано в разделе 3.4. Сделайте раствор 10 мМ Быстрый синий RR соли диазония (4-бензоиламино-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium хлорида полушария (хлорид цинка), соли) в 0,5 M фосфорной кислоты. 17 Поместите 20 мкл каплю раствора на упакованный пасты для электродов 30 минут, чтобы спонтанно chemisorb Быстрый Синий PR соли диазония. Промойте дистиллированной водой и хранить в буфере или деионизованной воды, когда она не используется.
  3. Лактат чувствительные пасты углерода базируется на предыдущем рецепте и получается путем смешивания 2,5 мг родия на угольный порошок и 2,5 мг лактата оксидазы, чередуя 5 минут ультразвука и 5 минут встряхивая в течение пяти вращения 18.
  4. Упаковка изменение пасты в подготовленную плоский гибкий кабель достигается за счет применения соответствующих паст на электрод полости. Используя тонкий кусок пластика (например, край пластиковой вес лодки), а шпатель и упаковка тОн вставьте до гладкой поверхности достигается. Повторите со второй чистый вес лодки, пока избыток пасты удаляют. Промыть дистиллированной водой. Схематическое лазерной абляции для создания пустот, упаковка углерода пасты, и микроиглы интеграции (описанных в разделе 2 и 3) представлены на рисунке 3.

4. Обнаружение и калибровки датчика

  1. Лактат обнаружения достигается путем измерения chronoamperometric реакции датчика на -0,15 V и записи текущего через 15 секунд в 0,1 М фосфатный буфер (рН = 7,5). Рисунок 4 (а) содержит схему электрокаталитических реакции для выявления лактата .
  2. Глюкоза обнаружение осуществляется таким же образом, измеряя chronoamperometric реакции датчика на -0,05 V и записи текущего через 15 секунд в 0,1 М фосфатный буфер (рН 7.0). Рисунок 4 (б) содержит схему электрокаталитических реакции гetection глюкозы.
  3. рН контролируется работает циклический вольтамперометрии сканирования от -0,7 В до 0,8 В при 100 мВ / с и записи положения окислительный потенциал пика. Схема окислительно-восстановительных реакций при рН обнаружения показан на рисунке 5.
  4. Калибровочные кривые для глюкозы и лактата датчики могут быть созданы путем последовательного добавления соответствующего аналита; chronoamperometric Измерения выполняются после каждого анализируемого того, как это описано в разделах 5.1 и 5.2. Кроме того, фиксированный потенциал chronoamperometric измерения могут быть сделаны при перемешивании, позволяя достаточно времени (10-100 секунд) между аналита того, для стабилизации тока.
  5. Кривые калибровки рН может быть создано путем измерения положения окислительный потенциал пика на протяжении ряда известных значений рН от 5 до 8 шагом в 1,0 единицы рН и записи циклического вольтамперограммы как описано в разделе 5.3.

5. Представитель Reрезультаты

При получении chronoamperometric кривых (например, для определения глюкозы и лактата обнаружения) в спокойном решения с измененными углерода вставить заполненный микроигл, ток будет уменьшаться сразу же после применения соответствующих потенциал обнаружения. Это, в конечном счете к распаду стационарного значения государства. Представитель Результат показан на рисунке 6, этот результат был получен от 2 мм дополнений лактата и записи на лактат микроиглы. Решение должно быть кратко перемешивается после каждого лактат дополнительно. В настоящее время через 15 секунд повышается при увеличении концентрации лактата; текущий ответ может быть использован для определения концентрации лактата в искомое решение. Кроме того, постоянный мониторинг может быть использован в растворе (или в текущей решения), как показано на решение с увеличением концентрации глюкозы (рис. 5). Опять же, увеличение тока при увеличении тОн концентрации глюкозы могут быть использованы для стандартизации ответа глюкозы, чтобы искомое решение. Достаточное время должно быть разрешено после каждого всплеска, с тем чтобы решения по стабилизации. Циклические вольтамперограммы при рН чувствительной микроиглы в 0,1 М фосфатного буфера показано более четырех различных решений рН от 5 до 8 в 1 единицу рН шагом на рисунке 6. Окислительный потенциал пика сдвиги с увеличением рН, это явление используется в качестве показателя рН.

figure-protocol-1
Рисунок 1. Изображения файл STL из микроиглы массив созданных в SolidWorks () и Print Screen, которая показывает структуру поддержки (B).

figure-protocol-2
Рисунок 2. Сканирующей электронной микрофотографии микроиглы массив (A) и одной микроиглы внутри этого массива (B).


Рисунок 3. Схема плоский гибкий кабель с разъемами. Этапы включают изменения плоского гибкого кабеля (А), разрушающимся узорные круги (B), добавив, первоначально удалена Melinex слой, который наполнен угольной пасты (C), а также добавление второго слоя удаленной Melinex и спаривание микроиглы массив (D). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

figure-protocol-3
Рисунок 4. Калибровка лактат-чувствительные пасты с 15-секундный chronoamperometric сканирования на -0,15 V в 0,1 М фосфатный буфер (рН = 7,5). Каждое увеличение тока соответствует 2 мм добавлением лактата.

figure-protocol-4
Рисунок 5.

figure-protocol-5
Рисунок 6. Циклические voltammogram (CV) с рН чувствительной углерода вставить в 0,1 М фосфатного буфера рН в течение 5-8 в 1 рН на единицу приращения (чирок = рН 8,0, зеленый = рН 7,0, фиолетовый = рН 6,0, красный = рН 5,0). Пятый CV был использован для анализа по сравнению с Ag / AgCl ведения и Pt электродов провод счетчика.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Несколько аспектов дизайна этого микроиглы на основе датчика были рассмотрены до изготовления устройства. Для того чтобы использовать этот датчик в режиме реального времени обнаружения, время отклика датчика должна быть низкой, и в этом протоколе, каждый испытания датчика выставлены время отклика менее пятнадцати секунд. Пасты, используемые в настоящем протоколе были выбраны за их селективность в в естественных условиях среды, которые содержат электроактивных биомолекул, которые могут помешать электрод ответ. К...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sandia является многопрограммного лаборатории Sandia управляется корпорацией, компания Lockheed Martin, в США к ответственности департамента Национальной администрации по ядерной безопасности энергетики по контракту DE-AC04-94AL85000. Авторы признают, финансирование из лаборатории Sandia National Laboratories "Режиссер исследований и развития (LDRD) программы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Название реагента Компания Номер по каталогу
Плоский гибкий кабель Molex 3302/10SF
0.003 "сторона клейкая лента Melinex
0.004 "Двусторонняя лента Melinex
Лактат оксидаза Сигма L0638
Глюкозооксидаза Сигма G7141
Родия на углеродной Сигма 206164
Графитового порошка Сигма 385031000
поли (этиленимина) Acros 178570010
Минеральное масло Сигма M5904
Глюкоза Sigma G8270
Лактат Сигма L1750
Быстрый синий RR соль Сигма F0500
электронная оболочка 300 EnvisionTEC
электронная оболочка 200 EnvisionTEC
Ag / AgCl электродом сравнения Basi MF-2052
Pt проволока Basi
PGSTAT12 AutolabPotentiostat EcoChemie
Perfactory RP EnvisionTEC
Ottoflash Postcuring системы EnvisionTEC
Фосфорная кислота Рыбак A366-4
60W Модель 6,75 CO 2 растровых / векторных лазерной системы Универсал Лазерные системы PLS6.75
Графическая программа фирмы Corel Corel
Solidworks Dassault Systemes 2009
Magics RP13 Materialise

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Henry, S., McAllister, D. V., Allen, M. G., Prausnitz, M. R. Microfabricated microneedles: a novel approach to transdermal drug delivery. J. Pharm. Sci. 87, 922-925 (1998).
  2. Prausnitz, M. R. Microneedles for transdermal drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 56, 581-587 (2004).
  3. 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. Integrated carbon fiber electrodes within hollow polymer microneedles for transdermal electrochemical sensing. Biomicrofluidics. 5, 013415-013415 (2011).
  4. Windmiller, J. R., Zhou, N., Chuang, M. C., Valdés-Ramírez, G., Santhosh, P., Miller, P. R., Narayan, R., Wang, J. Microneedle array-based carbon paste amperometric sensors and biosensors. Analyst. 136, 1846-1851 (2011).
  5. 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. Bicomponent microneedle array biosensor for minimally-invasive glutamate monitoring. Electroanal. 23, 2302-2309 (2011).
  6. Ricci, F., Moscone, D., Palleschi, G. Ex vivo continuous glucose monitoringwith microdalysis technique: The example of GlucoDay. IEEE Sensors J. 8, 63-70 (2008).
  7. Zimmermann, S., Fienbork, D., Flounders, A. W., Liepmann, D. In-device enzyme immobilization: Wafer-level fabrication of an integrated glucose. Sens. Actuat. B. 99, 163-173 (2004).
  8. 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. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Biomicrofluidics. 88, 739-742 (2012).
  9. 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. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Talanta. 88, 739-742 (2012).
  10. Rofstad, E. K. Microenvironment-induced cancer metastasis. Int. J. Radiat. Biol. 76, 589-605 (2000).
  11. Vander Heiden, M. G., Cantley, L. C., Thompson, C. B. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science. 324, 1029-1033 (2009).
  12. Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. The metabolism of tumors in the body. J. Gen. Physiol. 8, 519-530 (1927).
  13. The Tumour Microenvironment: Causes and Consequences of Hypoxia and Acidity. Novartis Foundation Symposium 240. Goode, J. A., Chadwick, D. J. , John Wiley & Sons, Ltd. (2008).
  14. Cardone, R. A., Casavola, V., Reshkin, S. J. The role of disturbed pH dynamics and the Na+/H+ exchanger in metastasis. Nature Rev. Cancer. 5, 786-795 (2005).
  15. Robergs, R. A., Ghiasvand, F., Parker, D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am. J. Phys. 287, R502-R516 (2004).
  16. Wang, J., Liu, J., Chen, L., Lu, F. Highly selective membrane-free, mediator-free glucose biosensor. Anal. Chem. 66, 3600-3603 (1994).
  17. Makos, M. A., Omiatek, D. M., Ewing, A. G., Heien, M. L. Development and characterization of a voltammetric carbon-fiber microelectrode pH sensor. Langmuir. 26, 10386-10391 (2010).
  18. Wang, J., Chen, Q., Pedrero, M. Highly selective biosensing of lactate at lactate oxidase containing rhodium-dispersed carbon paste electrodes. Anal. Chem. Acta. 304, 41-46 (1995).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Hollow Microneedle ArraysTransdermal Electrochemical SensingMultiplexed Analyte DetectionLaser MicromachiningCarbon Paste ElectrodesGlucose Lactate pH SensingSolidWorks DesignRP 13 SoftwareInterstitial Fluid SamplingMinimally Invasive Monitoring

Похожие статьи