חיישן הולו Microneedle מבוסס על מרובב דרך העור אלקטרוכימי חישה

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

מאמר זה מפרט את הבנייה של חיישן microneedle מבוסס multiplexed. המכשיר מפותח עבור בדגימה באתרו וניתוח אלקטרוכימי של analytes מרובים בצורה מהירה סלקטיבית. אנחנו מדמיינים ברפואה קלינית מחקר ביו משתמש עבור אלה microneedle מבוססי חיישנים.

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

פיתוח מערכת פולשנית לניטור מרובב לניתוח מהיר של מולקולות ביולוגיות הרלוונטיים יכול להציע לאנשים הסובלים מבעיות רפואיות כרוניות הערכה קליל של המדינה הפיזיולוגי המיידי שלהם. יתר על כן, זה יכול לשמש כלי מחקר וניתוח, תנאים רפואיים מורכבים multifactorial. על מנת חיישן כזה multianalyte להתממש, הוא חייב להיות פולשנית, דגימה של נוזל ביניים חייב להופיע ללא כאב או נזק למשתמש, וניתוח חייב להיות מהיר כמו גם סלקטיבי.

פותח בתחילה עבור משלוח נטול כאבים סמים, microneedles שימשו כדי לספק חיסונים וסוכנים תרופתי (כגון אינסולין) דרך העור. 1-2 מאז התקנים אלה לגשת מרחב ביניים, microneedles המשולבים עם microelectrodes יכול לשמש דרך העור חיישנים אלקטרוכימיים. איתור סלקטיבי של, לקטט גלוקוז, גלוטמט, Hחומצה חמצן ydrogen, ו אסקורבית הוכח באמצעות משולבים microneedle-אלקטרודה מכשירים עם סיבי פחמן, משחות פחמן שינוי, פלטינה מצופה פולימר microneedles המהווים אלמנטים transducing. 3-7,8

זו טכנולוגיית החיישן microneedle אפשרה רומן גישה אנליטית מתוחכמת לגילוי באתרו סימולטני של analytes מרובים. ריבוב מציע את האפשרות של ניטור microenvironments מורכבים, אשר קשה אחרת לאפיין בצורה מהירה פולשנית. לדוגמה, הטכנולוגיה הזו יכול להיות מנוצל עבור ניטור סימולטני של רמות תאיים של, גלוקוז לקטט ו-pH, שהם 9 אינדיקטורים חשובים של מחלות מטבוליות מדינות 7,10-14 (למשל, סרטן התפשטות) ופעילות גופנית הנגרמת חמצת. 15

Protocol

1. Microneedle ייצור

  1. באמצעות תוכנת תלת מימדי הדוגמנות Solidworks (דאסו סיסטמס SA, Velizy, צרפת), לתכנן מערך בצורת פירמידה microneedle חלול (איור 1). 3-5
  2. עיצוב מבנה תמיכה במערך microneedle באמצעות קסמים RP 13 תוכנה (Materialise NV, לובן, בלגיה). מערכת התמיכה מאפשרת שרף לניקוז מהמכשיר במהלך ייצור מספק בסיס שעליו microneedles בנויים. מבנה תמיכה למשל מוצג באיור 1.
  3. תמיכה מקושר וקבצי מערך microneedle מועלים אל RP Perfactory תוכנה (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, גרמניה), אשר שולטת על תהליך הייצור. בתוך חבילת תוכנה זו, בחר את מספר מערכים microneedle להיות מפוברק לקבוע את המיקום של התקנים על הצלחת ייצור.
  4. הפעלה במצב כיול אולטרה סגולה על mW 180 עבור מהירה Perfactory יחסי ציבורייצור ototyping המערכת ולוודא סטייה בתחום האנרגיה בתוך mW 2 ±.
  5. לאחר השלמת ייצור, להסיר את מערכי microneedle מ baseplate ולהתפתח isopropanol במשך 15 דקות. לייבש את מערכי עם אוויר דחוס ולרפא את microneedles בטמפרטורת החדר למשך 50 שניות במערכת Otoflash Postcuring (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, גרמניה) על מנת להבטיח פילמור מלאה.
  6. אמת ייצור microneedle באמצעות מיקרוסקופיה ולוודא שכל נשא microneedle הוא חלול בלא הפרעה. Microneedles מלא מפוברק מוצגות באיור 2.

2. ייצור של הדבקה מערכים פחמן אלקטרודה

  1. השתמש 60 דגם W 6.75 CO 2 סריקה / וקטור מערכת הלייזר (Universal Laser Systems, Inc, בסקוטסדייל, אריזונה) לחתוך חורים ולחשוף את הבסיס חוטי נחושת למיעון בנפרד חיבור כבל גמיש שטוח (21,039-0,249), שהיה להשיג ממקור מסחרי (מולקס מחבר קורפ, Lisle, IL) (איור 3 (A ו-B)). מניחים את הכבלים גמישים שטוחים ב לנענע שצריך ליישר אותם על הצלחת אבלציה בלייזר. השתמש בגישה rastering ליצור חללים בקוטר 500 מיקרומטר בחלק בידוד של כבל גמיש. דפוסי עבור אבלציה נוצרים CorelDRAW (Corel, אוטווה, אונטריו) ושלחו למערכת הלייזר.
  2. יש לנקות את הכבלים שונה גמישים שטוחים עם airbrush כי אצטון תרסיסים ב 40 PSI. לסיים לנקות אותם על ידי שטיפה במים isopropanol ו deionized. ודא תחת מיקרוסקופ שאף סרט בידוד נשאר על פסי נחושת חשופים.
  3. השלב הבא הוא ליצור חלל מחזיק עבור אריזה של משחות פחמן. קלטת Melinex (0.002 "עובי מצופה בצד אחד עם דבק אקרילי רגיש לחץ) הוא ablated עם דפוס זהה את רצועות אלקטרודה, אוריינטציה על רצועות אלקטרודה ablated, דחוס ב 3000 psi עבור 2 דקות, כדי להבטיח חיבור מתאים. ב זה CASE, קוטר חלל הוא 750 מיקרומטר.
  4. שכבה נוספת של סרט Melinex (0.004 "עובי מצופה בשני הצדדים עם דבק אקרילי רגיש לחץ) הוא ablated לאחר מכן בדפוס זהה קלטת אחת צדדית דבק ומשמש לאחר יישור בונד מערכי microneedle את רסק מערכים פחמן אלקטרודה .

3. סינתזה של מדביק פחמן פונקציונליים אריזה של חללים אלקטרודה

  1. הדבק רגיש גלוקוז הפחמן מבוסס הנחה של המתכון הקודם, מתקבלת על ידי ערבוב של 10 מ"ג של גלוקוז אוקסידאז ו 2.2 מ"ג פולי (ethylenimine) עד לקבלת תערובת הומוגנית מתקבל. 16 לתערובת זו, 60 מ"ג של אבקת רודיום על פחמן ( 5% טעינה) הוא הוסיף. 40 מ"ג שמן מינרלי נוסף מעורב לאחר מכן. הדבקת מאוחסנים 4 ° C עד השימוש, את משחות משמשות עד שבוע לאחר הכנה.
  2. הדבק רגיש pH פחמן מתקבלת על ידי ערבוב שמן מינרלי 30% (W / W) 70% (w / w) גרפיט עמ 'owder. לארוז ולהדביק לתוך חלל האלקטרודה, כמתואר בסעיף 3.4. הפוך את הפתרון של 10 מלח מהיר mM כחול diazonium RR (4-benzoylamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium כלוריד חמי (אבץ כלוריד) מלח) של חומצה זרחתית M 0.5. 17, מניחים ירידה 20 μl של פתרון זה על פני האלקטרודה הדבק ארוזה 30 דקות באופן ספונטני chemisorb מלח מהיר כחול PR diazonium. לשטוף עם מים בחנות deionized ו במאגר או מים deionized כאשר אינו בשימוש.
  3. הדבק לקטט פחמן רגיש מבוסס הנחה של המתכון הקודם, מתקבלת על ידי ערבוב של 2.5 מ"ג של רודיום על אבקת פחם ו -2.5 מ"ג של מונואמין לקטט, לסירוגין בין 5 דקות של sonication ו -5 דקות של vortexing חמישה סיבובים. 18
  4. אריזה של משחות שונה לתוך כבל מוכן גמיש שטוח מושגת על ידי יישום משחות בהתאמה על החללים אלקטרודה. בעזרת חתיכת פלסטיק דקה (למשל, קצה של סירה לשקול פלסטיק) כמו מגרפה ואת חבילת tהוא הדבק עד משטח חלק מושגת. לחזור עם הסירה 2 במשקל נקי עד רסק עודף מוסר. לשטוף עם מים deionized. סכמטי המציג אבלציה לייזר כדי ליצור חללים, אריזה של משחות פחמן, ושילוב microneedle (המתואר בסעיף 2 ו 3) מוצגת באיור 3.

4. איתור כיול חיישן

  1. זיהוי חומצת חלב נעשה על ידי מדידת התגובה chronoamperometric של החיישן ב -0.15 V והקלטה הנוכחי לאחר 15 שניות ב 0.1 חיץ M פוספט (pH = 7.5). איור 4 (א) מכיל סכמטי של תגובה electrocatalytic לגילוי של לקטט .
  2. זיהוי גלוקוז מתבצעת באופן דומה על ידי מדידת התגובה chronoamperometric של החיישן ב -0.05 V והקלטה הנוכחי לאחר 15 שניות חיץ M 0.1 פוספט (pH 7.0). איור 4 (ב) מכיל סכמטי של תגובה electrocatalytic עבור דetection של גלוקוז.
  3. pH הוא פיקוח על ידי הפעלת סריקות voltammetric מחזורית מ -0.7 ל V V 0.8 ב 100 mV / s ולהקליט את המיקום של פוטנציאל לשיא חמצוני. סכמטי של תגובות חמזור לגילוי pH מוצג באיור 5.
  4. עקומות כיול עבור גלוקוז חיישנים חומצת חלב ניתן ליצור על ידי תוספת רצופים של אנליטי המתאימה; מדידות chronoamperometric מבצעים לאחר כל הוספה אנליטי כמתואר בסעיפים 5.1 ו 5.2. לחלופין, מדידות קבועות chronoamperometric פוטנציאליים יכול להתבצע תחת ערבוב, ובמקביל לאפשר מספיק זמן (~~~HEAD=NNS 10-100 שניות) בין כל הוספה אנליטי לייצוב הנוכחי.
  5. עקומות כיול ה-pH ניתן ליצור על ידי מדידת מיקומו של הפוטנציאל השיא חמצוני על סדרה של ערכי ה-pH ידוע 5-8 ב 1.0 במרווחים של יחידת ה-pH ורישום voltammograms מחזורית, כמתואר בסעיף 5.3.

5. נציג Results

לאחר קבלת עקומות chronoamperometric (למשל, לגילוי רמת הסוכר או זיהוי חומצת חלב) בפתרונות הצייתניים עם פחמן שונה ולהדביק-microneedles מלאים, עדכניים מיד להקטין על פי בקשה של פוטנציאל לגילוי בהתאמה. זה יהיה בסופו של דבר להירקב לערך למצב יציב. התוצאה נציג מוצגת באיור 6, תוצאה זו הושגה בין 2 מ"מ תוספת של חומצת חלב הקלטה ב microneedle לקטט. הפתרון חייב להיות עורר בקצרה לאחר כל הוספה חומצת חלב. כיום לאחר 15 שניות עולה על הגדלת הריכוז של חומצת חלב, התגובה הנוכחית לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לקבוע את ריכוז חומצת החלב בתמיסה ידוע. לחלופין, ניטור רציף ניתן להשתמש בתמיסה עורר (או בתמיסה זורמת) כפי שעולה לפתרון בריכוז הגלוקוז הגדלת (איור 5). שנית, העלייה הנוכחית על הגדלת t הוא ריכוז של גלוקוז יכול לשמש כדי לתקנן את התגובה גלוקוז לפתרון ידוע. מספיק זמן לאפשר לאחר עלייה חדה כל על מנת לאפשר פתרון להתייצב. Voltammograms מחזורית ב microneedle pH רגיש במאגר M 0.1 פוספט מוצגים על פני ארבע פתרונות pH שונה מ 5 עד 8 ​​ב 1 במרווחים של יחידות ה-pH באיור 6. משמרות חמצוני פוטנציאליים שיא עם pH הגדלת, תופעה זו משמש אינדיקציה ערך ה-pH.

איור 1
באיור 1. תמונות של הקובץ STL של המערך microneedle שנוצר Solidworks (A) של המסך הדפסה, אשר מציג את מבנה תמיכה (ב ').

איור 2
איור 2. סריקה micrographs אלקטרונים של מערך microneedle (א) ו microneedle אחת בתוך המערך הזה (ב ').

ילדה = "jove_content"> איור 3
איור 3. סכמטי של הרכבה כבל גמיש שטוח. השלבים הכרוכים כוללים שינוי כבל גמיש שטוח (א '), ablating החוגים בדוגמת (ב'), הוספת שכבת ablated בתחילה Melinex, אשר מלא פחמן משחה (ג), כמו גם הוספת שכבת 2 ablated Melinex והזדווגות מערך microneedle (ד '). לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה .

איור 4
איור 4. כיול הדבק לקטט רגיש עם 15 סריקות chronoamperometric שנייה ב -0.15 V ב חיץ פוספט 0.1 M (pH = 7.5). כל עלייה מקבילה הנוכחיות בנוסף 2 מ"מ של חומצת חלב.

איור 5
איור 5.

איור 6
איור 6. Voltammogram מחזורי (CV) של פחמן pH רגיש להדביק במאגר M 0.1 פוספט על pH 5-8 של 1 יחידת במרווחים של ה-pH (pH = 8.0 צהבהב, ירוק = pH 7.0, pH = 6.0 סגול, אדום = pH 5.0). קורות חיים 5 שימש ניתוח לעומת Ag / AgCl התייחסות נגד טורפדו אלקטרודות מתכת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

היבטים רבים של עיצוב של חיישן מבוסס microneedle זה נחשבו לפני ייצור המכשיר. על מנת להשתמש חיישן לגילוי בזמן אמת, זמן התגובה של החיישן צריך להיות נמוך, בפרוטוקול זה, כל חיישן נבדק הציג את זמן התגובה להלן חמש עשרה שניות. משחות בשימוש בפרוטוקול זה נבחרו גם הסלקטיביות שלהם בתוך בסביבות vivo, אשר מכילים ביומולקולות האלקטרו שיכול להפריע תגובת האלקטרודה. בנוסף להדביק הרכב, את הפוטנציאל הפועלים נבחרו כדי למזער את ההשפעה של הפרעה האלקטרו מינים. ייצור מוצלח של מערך microneedle כוללת מבחר של עיצוב microneedle מתאים חומר microneedle. שני היבטים אלה יקבעו אם microneedle יכול לנקב את העור, להגן על אלקטרודות מפני נזק פיזי, למנוע האלקטרודה, רקמות קשר. יש לציין כי Ag חיצוני / AgCl ו Pt מתייחסיםאלקטרודות ence ו הדלפק שימשו במהלך המדידות, בשימוש vivo של המכשיר הזה עם בבני אדם או בעלי חיים ידרוש כי אלו אלקטרודות להיות משולב בתוך המכשיר.

כל מרכיב של חיישן microneedle מבוסס יש לו תכונות שיש תוקף כדי להבטיח פונקציונליות נכונה. בקרת איכות במהלך שינוי של כבל גמיש שטוח (איור 3 ב ') כרוך להבטיח כי שכבת בידוד נמחק לחלוטין פני השטח של פח מצופה חוטי נחושת לאחר אבלציה לייזר (איור 3). אי להסיר את שכבת בידוד מפני השטח של חוטי הנחושת לאחר אבלציה לייזר יכול לגרום לתגובות בלתי סדירים עקב מגע חשמלי לא מושלם. קלטת לייזר ablated Melinex יש לבחון באמצעות מיקרוסקופ כדי להבטיח את הקוטר של פתיחת כל עולה בקנה אחד כפי שהוא מגדיר את שטח העבודה של האלקטרודה. בעת החלת פחמן להדביק את לייזר ablated חללים Melinex קלטת,הדבק חייב להתאים את קוטר חור בדיוק עם עודף לא על מנת למנוע וריאציות האות בשל הבדלי שטח הפנים. במהלך המדידות chronoamperometric עם משחות פחמן שונה, האות חייב לייצב לערך הגבלת לפני הנוכחי נרשם. תוצאות אלו יכולות להשתנות מעט בשל תופעות ערבוב. בדיקה מכנית של מערכי microneedle בוצעה לפני שילוב חיישן: במחקר הקודם, הקבוצה שלנו הראתה מערכים אלו מסוגלים ניקוב עור חזירי, אשר שימש אנלוגי לעור האנושי 3 מערכים Microneedle לא צריכים לעבור עיוות או שבר במהלך. החדירה לעור שכן תהליכים אלה יכול לגרום נזק האלקטרודה.

פרוטוקול זה פירט את הבנייה של המכשיר דרך העור חדשנית לניטור אלקטרוכימי. אנו רואים את המאמצים העתידיים מעורבים חיישנים microneedle עם מספר גדול יותר של microneedles למיעון בנפרד מגוון רחב יותר של TRansducers. מכשיר זה נועד לצורך ניתוח של נוזל interstitial בבני אדם, שימוש עם בעלי חיים אפשר גם עם מינים ספציפיים שינויים המתאימים לעיצוב microneedle. הכיוונים העתידיים בעזרת טכנולוגיה זו כוללים, אך אינם מוגבלים ניטור המטופל מרחוק כמו גם צימוד עם התקן התרופה משלוח עבור משלוח תרופות חישה אוטומטית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגוד עניינים הצהיר.

Acknowledgments

Sandia היא מעבדה multiprogram המופעלות על ידי Sandia Corporation, חברת לוקהיד מרטין, עבור הברית קבע המחלקה למינהל הביטחון הלאומי לאנרגיה גרעינית תחת חוזה DE-AC04-94AL85000. המחברים מודים במימון Sandia National Laboratory "מעבדות בימוי מחקר ופיתוח (LDRD) התוכנית.

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