다중 Transdermal 전기 감지를위한 빈 Microneedle 기반 센서

Bioengineering

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Summary

이 문서에서는 세부 멀티 플렉스 microneedle 기반 센서의 건설. 장치는 신속하고 선택적으로 여러 analytes의 현장 샘플링과 전기 화학 분석을 위해 개발되고있다. 우리는 임상 의학을 구상하고 생명 의학 연구는 이러한 microneedle 기반의 센서를 위해 사용합니다.

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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).

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Abstract

생물학 - 관련 분자의 신속한 분석을위한 최소한 침략적 다중 모니터링 시스템의 개발은 만성적인 신체 조건에서 그들의 즉각적인 생리적 상태의 손쉬운 평가를 겪는 개인을 제공할 수 있습니다. 또한, 그것은 복잡한 multifactorial 의료 조건의 분석을위한 연구 도구의 역할을 수 있습니다. 실현되는 등 multianalyte 센서에 대한 위해서는, 사용자에게 통증이나 손상없이 발생합니다 간질성 액체 샘플링, 최소한 침입 있어야하고, 분석은 신속한뿐만 아니라 선별해야합니다.

처음에는 통증이없는 약물 전달을 위해 개발, microneedles는 피부를 통해 백신과 pharmacologic 대리인 (예 : 인슐린)을 전달하기 위해 사용되었습니다. 1-2 이러한 장치는 중간 공간을 액세스할 수 있기 때문에, microelectrodes과 통합되어 microneedles는 transdermal로 사용할 수 전기 화학 센서. 포도당, 글루 탐 산염, 락트 산의 선택적 검출, Hydrogen의 과산화수소, 그리고 ascorbic 산성은 transducing 요소로 재직 탄소 섬유, 수정 탄소 붙여 넣습니다, 그리고 백금 코팅 폴리머 microneedles와 통합 microneedle-전극 장치를 이용하여 증명되었습니다. 3-7,8

이 microneedle 센서 기술은 여러 analytes의 현장과 동시 검출에 대한 소설과 정교한 분석 접근 방식을 사용할 수있다. 멀티플렉싱은 신속하고 최소한 침략적 방식으로 성격 달리 어려운 복잡한 microenvironments을 모니터링의 가능성을 제공합니다. 예를 들어,이 기술의 세포외 수준의 동시 모니터링 활용 수있다, 포도당, 젖산 및 산도, 9 중요한 신진 대사 질환 상태 7,10-14의 지표 (예, 암 증식) 및 운동 유발성 산증은 있습니다. 15

Protocol

1. Microneedle 제작

  1. 입체 모델링 소프트웨어 Solidworks (다쏘 Systemes SA, Velizy, 프랑스)를 이용하여 피라미드 모양의 중공 microneedle 배열을 설계 (그림 1). 3-5
  2. Magics RP 13 소프트웨어 (Materialise NV, Leuven, 벨기에)를 사용 microneedle 배열에 대한 지원 구조를 디자인합니다. 지원 구조는 수지가 제조하는 동안 장치에서 드레인 수 있으며 microneedles이 구축되어있는 기반을 제공합니다. 예를 들어, 지원 구조는 그림 1에 표시됩니다.
  3. 연계 지원 및 microneedle 배열 파일은 제조 공정을 제어 Perfactory RP 소프트웨어 (EnvisionTEC 게엠베하, Gladbeck, 독일)에 업로드됩니다. 이 소프트웨어 패키지 내에서 가공되는 microneedle 배열의 개수를 선택하고 제조 접시 장치의 위치를​​ 결정합니다.
  4. Perfactory 신속한 PR 180 MW에서 자외선 모드에서 보정을 실행합니다ototyping 제조 시스템과 에너지의 편차를 확인은 ± 2 MW 이내입니다.
  5. 제조가 완료되면 15 분 동안 이소프로판올 년 기​​초판에서 microneedle 배열을 제거하고 개발합니다. 압축 공기가있는 배열을 건조하고 완전한 중합을 보장하기 위해 Otoflash Postcuring 시스템 (EnvisionTEC 게엠베하, Gladbeck, 독일)이 50 초 동안 실온에서 microneedles을 치료.
  6. 현미경을 통해 microneedle 제조의 유효성을 검사하고 각 microneedle 구멍이 투명하고 탁 트인 있는지 확인합니다. 완벽하게 조립 microneedles는 그림 2에 표시됩니다.

2. 탄소 붙여넣기 전극 배열의 제작

  1. 구멍을 잘라내어였다 플랫 플렉시블 케이블 (21039-0249)에서 기본 개별적으로 주소 지정 연결하는 구리선을 폭로 60 W 모델 6.75 CO 2 래스터 / 벡터 레이저 시스템 (유니버셜 레이저 시스템즈, 스코 츠 데일, AZ)를 사용 상용 소스 (모에서 얻은렉스 커넥터 공단, Lisle, IL) (그림 3 (A와 B)). 제대로 레이저 박리 접시에 그들을 정렬하기 위해 지그에 플랫 플렉시블 케이블을 놓습니다. 유연한 케이블의 절연 부분에서 500 μm의 직경 충치를 만드는 rastering 접근법을 사용하십시오. 절제를위한 패턴은 CorelDraw에서 만든 (코렐, 오타와, 온타리오)와 레이저 시스템으로 보내집니다.
  2. 40 PSI의 에어 브러쉬 그 스프레이를 아세톤으로 바뀌었 플랫 플렉시블 케이블을 제거합니다. 이소프로판올 및 탈이온수로 rinsing하여 청소 완료. 더 단열 필름 노출된 구리 스트립 위에 남아 없다는 것을 현미경으로 확인합니다.
  3. 다음 단계는 탄소 붙여 넣습 포장에 대한 들고 충치를 만드는 것입니다. Melinex 테이프는 (압력에 민감한 아크릴 접착제와 함께 단일 면에 코팅 0.002 "두께) 전극 ablated 전극 스트립여 지향 스트립, 그리고 적절한 연결을 보장하기 위해 2 분을 3,000 PSI에 압축과 같은 패턴으로 ablated 있습니다.에이 이 CASE는 캐비티 직경이 750 μm의입니다.
  4. Melinex 테이프의 추가 레이어 (0.004 "압력에 민감한 아크릴 접착제와 양면에 코팅 두께)은 이후 싱글 양면 접착 테이프와 같은 패턴으로 ablated되고 탄소 페이스트 전극 배열로 결합 microneedle 배열에 정렬 후 사용합니다 .

3. 기능성 탄소 붙여 넣습의 합성과 전극 안의 공간의 포장

  1. 포도당 민감한 탄소 페이스트는 이전의 제조법을 근거로하고 균일한 혼합물을 얻을 때까지 포도당 산화 효소와 폴리 (ethylenimine)의 2.2 밀리그램의 10 밀리그램을 혼합하여 얻어진다. 16이 혼합되어, 탄소 분말에 로듐의 60 밀리그램 (최대 5% 로딩)가 추가됩니다. 40 MG의 광유가 추가되고 이후에 혼합됩니다. 붙여 넣습가 준비 후 최대 1 주일 정도 사용되며 붙여 넣습는 ° C에서 사용할 때까지 4에 저장됩니다.
  2. 산도에 민감한 탄소 페이스트가 혼합 30% (W / W) 광유 70 % (W / W) 흑연 P에 의해 얻어진다owder. 섹션 3.4에서 설명한대로 전극 캐비티에 붙여넣 싸. 0.5 M의 인산 10 밀리미터 패스트 블루 RR diazonium 소금 (4 benzoylamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium 염화 헤미 (염화 아연) 소금)의 솔루션입니다. 17 확인을위한 포장 페이스트 전극을 통해이 솔루션은 20 μl 드롭 놓으십시오 30 분 자발적 빠른 블루 홍보 diazonium 소금을 chemisorb합니다. 버퍼 또는 탈이온수 사용하지 않을에서의 탈이온수 및 매장과 린스.
  3. 락테이트 민감한 탄소 페이스트는 이전의 제조법을 근거로하고 있으며 탄소 분말과 락트 산 산화 효소 2.5 밀리그램에 로듐 2.5 밀리그램을 혼합하여 얻은 것입니다, 다섯 회전 동안 sonication 5 분, vortexing 5 분 사이에 교대. 18
  4. 준비된 플랫 플렉시블 케이블로 수정된 붙여 넣습의 포장이 전극 충치 통해 각각 붙여 넣습을 적용하여 수행됩니다. 흙손과 팩을 t으로 플라스틱의 얇은 조각을 (예, 플라스틱 무게는 보트의 가장자리) 사용매끄러운 표면을 얻을 때까지 그는 붙여 넣습니다. 과잉 붙여넣기가 제거되기 전까지 두 번째 깨끗한 무게 보트로 반복합니다. 탈이온수로 씻으십시오. 개략도 탄소 붙여 넣습 포장, 충치를 만드는 레이저 절제를 보여주는, 그리고 microneedle 통합은 (섹션 2와 3에서 설명) 그림 3에서 제공됩니다.

4. 감지 및 센서 교정

  1. 락테이트 감지 M 인산 버퍼 (산도 = 7.5). 그림 4 (가) 락트 산의 검출을위한 electrocatalytic 반응의 구조도를 포함 -0.15 V에서 센서의 chronoamperometric 응답을 측정하고 0.1에 15 초 후 전류를 기록하여 수행됩니다 .
  2. 포도당 감지 -0.05 V에서 센서의 chronoamperometric 응답을 측정하고 0.1 M 인산 완충액 (산도 7.0)에서 15 초 후 전류를 기록하여 유사한 방법으로 수행됩니다. 그림 4 (B)를위한 electrocatalytic 반응의 구조도를 포함하고 디포도당의 etection.
  3. 산도는 100 MV / s의 -0.7 V에서 0.8 V로 주기적 voltammetric 스캔을 실행하고 산화 피크 잠재력의 위치를​​ 기록하여 감시하고 있습니다. 산도 검출을위한 산화 환원 반응의 개략도는 그림 5에 표시됩니다.
  4. 포도당과 젖산 센서 보정 곡선은 각 analyte의 연속 첨가에 의해 만들 어질 수 있으며, 섹션 5.1 및 5.2에 설명된대로 chronoamperometric 측정은 각 analyte 추가 후에하게됩니다. 또는 고정 잠재 chronoamperometric 성능은 현재의 안정화에 대한 각 analyte 추가 사이에 충분한 시간을 (~ 10-1백초) 허용하는 동안 교반하에 만들 수 있습니다.
  5. 산도 교정 곡선은 1.0 산도 단위 단위로 5 ~ 8로 알려진 산도 값 일련의 이상 산화 피크 잠재력의 위치를​​ 측정하고 섹션 5.3에 설명된대로 순환의 voltammograms을 기록하여 만들 수 있습니다.

5. 대표 재sults

수정된 탄소 붙여넣으-가득한 microneedles과 정지 솔루션 chronoamperometric 커브 (예 : 포도당 감지이나 락테이트 감지)를 획득하면, 현재는 즉시 해당 검색 잠재​​력 신청에 따라 줄어 듭니다. 그것은 결국 정상 상태 값에 가옥됩니다. 대표적인 결과는 그림 6에 표시되며이 결과는 락테이트 microneedle에서 락테이트 및 녹음 2 MM 첨가로부터 얻은 것입니다. 솔루션은 간단히 각 락테이트 또한 이후 흔들해야합니다. 15초 후 현재는 젖산의 농도를 증가시 상승, 현재 응답 후 알 수없는 솔루션에 젖산의 농도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 지속적인 모니터링이 증가 포도당 농도 (그림 5)와 솔루션을 시연으로 흔들 솔루션 (또는 흐르는 용액에서)에서 사용할 수 있습니다. 다시시 전류의 증가는 T를 증가그 포도당의 농도는 알 수없는 솔루션 포도당 응답을 표준화하는 데 사용할 수 있습니다. 충분한 시간이 솔루션은 안정 수 있도록하기 위해 각 스파이크 후에 허용하여야합니다. 0.1 M 인산 완충액의 산도에 민감한 microneedle의 순환 voltammograms는 5 그림 6에서 8 1에서 pH의 단위 증가에 대한 네 가지 산도 솔루션을 통해 표시됩니다. 증가 산도와 산화 피크 잠재력 교대는, 이러한 현상은 산도 가치의 지표로 사용됩니다.

그림 1
그림 1. Solidworks (A) 및 지원 구조 (B)를 보여줍니다 인쇄 화면의 생성 microneedle 배열의 STL 파일의 이미지.

그림 2
그림 2. microneedle 배열 (A)이 배열 내에 단일 microneedle (B)의 전자 micrographs를 스캔.


그림 3. 플랫 유연한 케이블 어셈블리의 도식. 참여 단계, 플랫 플렉시블 케이블 () 수정 (B) 패턴 동그라미를 흡열, 탄소 페이스트 (C)로 가득뿐만 아니라 두 번째 ablated Melinex 레이어를 추가하고이 교미하는 초기 ablated Melinex 레이어를 추가 포함 microneedle 어레이 (D)가. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .

그림 4
그림 4. 0.1 M 인산 완충 (산도 = 7.5)에서 -0.15 V에서 15초 chronoamperometric 스캔과 락트 산에 민감한 페이스트의 보정. 락트 산의 2 밀리미터 외에도 현재 해당 각각 증가.

그림 5
그림 5.

그림 6
산도에 민감한 탄소 그림 6. 순환의 voltammogram (이력서) 1 산도 단위 증가 (물오리 = 산도 8.0, 녹색 = 산도 7.0, 보라색 = 산도 6.0, 적색 = 산도 5.0)에 산도 5-8 이상 0.1 M 인산 완충액에 붙여 넣습니다. 다섯째 이력서는 자세 / AgCl 참조 및 PT 와이어 카운터 전극 비해 분석에 사용되었다.

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Discussion

이 microneedle 기반 센서의 설계의 여러 측면은 장치 제조 이전으로 간주되었다. 실시간 감지 기능이 센서를 사용하기 위해서는 센서의 응답 시간은 낮은해야하며이 프로토콜에서는, 각 시험 센서 십오초 아래의 응답 시간을 전시. 이 프로토콜에서 사용되는 붙여 넣습 또한 전극 반응을 방해할 수 electroactive biomolecules를 포함하는 생체내 환경에서 내 자신의 선택도에 대한 선정되었습니다. 구도를 붙여 또한, 운영 가능성이 electroactive 종 간섭의 영향을 최소화하기 위해 선정되었습니다. microneedle 배열의 성공적인 제조는 적당한 microneedle 설계 및 microneedle 소재의 선택을 포함한다. microneedle가 펑크 피부를 할 수 있으면이 두 측면이 결정되며, 물리적 손상으로부터 전극을 보호하고, 전극 - 조직 접촉을 배제. 그것은 외부의 자세 / AgCl과 PT가 추천한 것을인지해야줬어 및 카운터 전극은 측정하는 동안 사용했던, 인간 또는 동물 주제로이 장치의 생체내 사용이 전극 장치 내에 통합하는 것이 필요합니다.

microneedle 기반 센서의 각 구성 요소는 적절한 기능을 보장하기 위해 검증해야 기능을 가지고 있습니다. 플랫 케이블의 유연한 수정하는 동안 품질 관리 (그림 3 B)가 절연 레이어가 완전히 레이저 절제 후 주석 도금 구리 와이어 (그림 3)의 표면에서 제거됩니다 있도록하는 것입니다. 레이저 절제 후 구리 와이어의 표면에서 절연막을 제거하지 않으면 불완전한 전기 접촉으로 인해 불규칙한 반응을 일으킬 수 있습니다. 레이저 ablated Melinex 테이프는 전극의 작업 영역을 정의하고 각 개구부의 직경이 일관성이 있는지 확인하기 위해 현미경으로 검사해야합니다. 레이저 ablated Melinex 테이프 충치에 붙여넣으 탄소를 적용하면하면붙여넣기는 표면적의 차이로 인한 신호 변형을 방지하기 위해 노 초과로 정확한 구멍 직경을 준수해야합니다. 전류가 기록되기 전에 수정된 탄소 붙여 넣습과 chronoamperometric 측정 중에 신호가 제한 값으로 안정화해야합니다. 이러한 결과는 약간 혼합 효과에 따라 달라질 수 있습니다. microneedle 배열의 기계적 시험은 센서 설립 이전에 수행된, 이전의 연구에서, 우리의 그룹은 이러한 배열은 인간의 피부를위한 아날로그로 사용되었고, 돼지의 피부를 펑쳐링 수 있었다 나타났다 3 Microneedle 어레이는 동안 변형이나 파괴를 받게해서는 안됩니다. 이러한 프로세스부터 피부 침투가 전극 손상을 초래할 수 있습니다.

이 프로토콜은 전기 모니터링을위한 소설 transdermal 장치의 건설을 상세하게되었습니다. 우리는 개별적으로 주소 지정 microneedles의 더욱 번호와 TR의 더욱 다양한 microneedle 센서를 포함한 미래의 노력을 다할ansducers. 이 장치는 인간의 침입형 유체의 분석을 위해 설계되었습니다; 동물과 함께 사용도 microneedle 설계에 적합한 수종 고유의 수정이 가능합니다. 이 기술과 미래 방향을 포함하지만, 원격 환자 모니터링뿐만 아니라 자동 감지 - 약물 전달을위한 약물 전달 장치와 커플링에 국한되지 않습니다.

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Disclosures

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

Acknowledgments

Sandia는 미국이 계약 DE-AC04-94AL85000 하에서 에너지의 국립 핵 보안 관리학과를 명시에 대한 Sandia 공사, 록히드 마틴 사에 의해 운영 multiprogram 연구소입니다. 저자는 Sandia 국립 연구소 '연구실에서 기금을 인정하고 연구 개발 (LDRD) 프로그램을 감독.

References

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