Полые микроиглы на основе датчиков для электрохимических мультиплексный Трансдермальные зондирования

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Wheeler, D. R., Xiao, X., Brozik, S. M., Polsky, R., Narayan, R. J. Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing. J. Vis. Exp. (64), e4067, doi:10.3791/4067 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Protocol

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.

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

Рисунок 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 .

Рисунок 4
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.

Рисунок 5
Рисунок 5.

Рисунок 6
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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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. Кроме того, чтобы вставить состава операционных возможностей были выбраны, чтобы минимизировать влияние вмешательства электроактивных видов. Успешное изготовление микроиглы массив включает в себя выбор подходящего дизайна микроиглы и микроиглы материала. Эти два аспекта будет определить, является ли микроиглы могут проколоть кожу, защищает электроды от физических повреждений и препятствует электроду ткани контакт. Следует отметить, что внешний Ag / AgCl и Pt см.опыта и счетчик электродов были использованы во время измерений, в естественных условиях использования этого устройства с человека или животного, предметы требуют, чтобы эти электроды включены в устройство.

Каждый компонент микроиглы на основе датчика имеет особенности, которые должны быть проверены для обеспечения правильного функционирования. Контроль качества при изменении плоской гибкий кабель (рис. 3 б) включает в себя обеспечение того, чтобы изолирующий слой полностью удаляется с поверхности луженой медной проволоки после лазерной абляции (Рис. 3). Отказ от удаления изолирующего слоя с поверхности медной проволоки после лазерной абляции может вызвать неправильный ответ из-за неполного электрического контакта. Лазерная удаленной Melinex лента должна быть рассмотрены под микроскопом, чтобы убедиться, что диаметр каждого отверстия соответствует, поскольку она определяет рабочую область электрода. При применении углерода вставить в лазерной удаленной полости Melinex ленты,Паста должна соответствовать точным диаметром отверстия не избыток, чтобы избежать изменения сигнала из-за различий в площади поверхности. Во время измерения chronoamperometric с измененными пасты углерода, сигнал должен стабилизироваться до предельного значения до текущего записывается. Эти результаты могут слегка варьироваться в зависимости от смешивания эффектов. Механические испытания микроиглы массивов была выполнена до включения датчика, в предыдущем исследовании, наша группа показала эти массивы были способны прокалывание свиной кожи, которая была использована в качестве аналога для человеческой кожи 3 массивов микроиглы не должны подвергаться деформации и разрушения во время. проникновения через кожу, так как эти процессы могут привести к повреждению электрода.

Этот протокол был подробно строительство новых трансдермальных устройство для контроля электрохимической. Мы видим будущее усилий с участием микроиглы датчиков с еще большим количеством индивидуально адресуемых микроигл и большее разнообразие трansducers. Этот прибор был разработан для анализа межклеточной жидкости в организме человека, использование с животными можно также с соответствующими видами конкретных изменений в микроиглы дизайна. Будущие направления этой технологии включают, но не ограничиваясь удаленного мониторинга пациентов, а также связь с устройством доставки лекарств для автоматического зондирования доставки лекарств.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

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.

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics