复透皮电化学传感的空心微针为基础的传感器

Bioengineering

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Summary

本文详细介绍了建设一个复用微针为基础的传感器。该设备正在研制多种分析快速和选择性地在现场采样和电化学分析。我们设想,临床医学和生物医学研究,这些微针为基础的传感器使用。

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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

一种微创复为有关生物分子进行快速分析监测系统的发展,可以提供个人患有慢性疾病的简便评估其直接的生理状态。此外,它可以作为一个复杂的,多因素的医疗条件的分析研究工具。为了实现这样一个多分析传感器,它必须是微创,组织间液的采样必须出现无疼痛或伤害用户,并分析必须迅速以及选择性。

最初发达,无痛苦的给药微针已被用于提供疫苗和药物制剂(如胰岛素)通过皮肤1-2由于这些设备访问的间隙,用微电极集成的微针可以作为透皮电化学传感器。选择性检测葡萄糖,谷氨酸,乳酸,Hydrogen过氧化氢 ​​和抗坏血酸已被证明使用碳纤维,修饰碳糊,铂金涂层的聚合物微针作为换能元件的集成微针电极的装置。3-7,8

这个微针的传感器技术,使一个新的和先进的分析方法,在原位,同时检测多种分析物。复用提供了复杂的微环境监测,否则很难在一个快速,微创的方式来描述的可能性。例如,这项技术可以被利用外同步监测,血糖,乳酸和pH值,9是重要的代谢疾病状态7,10-14指标(如癌症扩散)和运动诱发性酸中毒15。

Protocol

1。微针的制备

  1. 使用三维造型软件SolidWorks(Dassault Systemes的SA,韦利济,法国),设计一个金字塔形的空心微针阵列( 1)。3-5
  2. 为支持使用魔法的RP 13软件(Materialise的内华达州,比利时鲁汶)微针阵列结构设计。支撑结构,使树脂从设备在制造过程中流失,并提供了一​​个建立基地的微针。一个例子支持结构如图1所示。
  3. 链接的支持和微针阵列的文件上传到的Perfactory RP软件,格拉德贝克(EnvisionTEC有限责任公司,德国),它控制的制造工艺。在这个软件包中,选择要制作的微针阵列的数量,并确定设备制造板块的位置。
  4. 校准在紫外线模式运行180兆瓦的Perfactory迅速公关ototyping制造系统,并确认在能源偏差在±2兆瓦。
  5. 一旦制作完成,从底板的微针阵列,并在异丙醇发展为15分钟。干燥压缩空气阵列,并在室温下固化在Otoflash Postcuring系统,格拉德贝克(EnvisionTEC有限责任公司,德国)50秒的微针,以确保完全聚合。
  6. 验证通过显微镜微针的制作和验证,每个微针孔是空心的和通畅。完全捏造的微针是在图2所示。

2。碳糊电极阵列的制备

  1. 使用60 W型6.75 CO 2的光栅/矢量激光系统(通用激光系统公司,斯科茨代尔,亚利桑那州),以减少漏洞暴露在平坦的软电缆(21039-0249),这是底层单独寻址连接铜线从商业来源(MO法连接器公司,莱尔,白细胞介素)( 图3(A和B))。放置在正确对齐它们对激光烧蚀板夹具的柔性扁平电缆。使用光栅方法,创建500微米直径腔软电缆的绝缘部分。在CorelDraw中创建消融模式(Corel公司,渥太华,安大略省)和发送的激光系统。
  2. 在40 psi清洁喷枪,喷雾丙酮改性的柔性扁平电缆。完成清洁异丙醇和去离子水冲洗。在显微镜下观察,确认无绝缘膜保持在暴露的铜带。
  3. 下一步是创建一个碳糊包装控股腔。聚酯薄膜胶带(0.002“厚度对压力敏感的丙烯酸胶粘剂的单面涂层)消融电极条,在消融电极条为导向,并在3000磅2分钟,以确保正确的连接压缩相同的模式。此CA本身,腔直径为750微米。
  4. 一个额外的一层聚酯薄膜胶带(0.004“对压力敏感的丙烯酸胶粘剂的两面涂层厚度),随后消融在相同的模式为单面胶带和债券的微针阵列的碳糊电极阵列对齐后用。

3。合成功能的碳浆料和电极腔包装

  1. 葡萄糖敏感的碳糊是基于以前的配方,并获得10毫克的葡萄糖氧化酶,聚(亚胺)和2.2毫克,直至获得均匀的混合物混合16。这种混合物,碳粉60毫克铑(添加5%负载)。添加40毫克矿物油,随后混合。膏是存放在4°C,直到使用;膏用于配制后一周。
  2. pH值敏感的碳糊混合30%(W / W)的矿物油和70%(W / W)石墨带够得到owder。包粘贴到电极腔,如3.4节所述。使10毫米快速蓝RR重氮盐在0.5 M磷酸(4 benzoylamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium氯半氯化锌盐)17。解决方案,包装糊电极置于这个解决方案的20μL下降30分钟,以自发的化学吸附快速蓝公关重氮盐。用去离子水和存储在缓冲区或去离子水在不使用时冲洗。
  3. 乳酸敏感碳糊是基于以前的配方,是由碳粉和2.5毫克的乳酸氧化酶的混合2.5毫克铑,超声5分钟和5分钟的涡旋之间交替五旋转18。
  4. 修改糊包装成准备扁平电缆是通过运用各自在电极腔膏。作为一个镘包ţ使用薄薄的塑料片(如塑料权衡船的边缘)他粘贴表面光滑,直到实现。第二个清洁称重船重复直到过剩粘贴删除。用去离子水冲洗。示意图显示激光消融创造腔,碳糊包装, 如图3和微针集成(第2和第3条所述)。

4。检测和传感器校准

  1. 乳酸检测完成在-0.15至五测量传感器的计时响应和记录目前在15秒后在0.1 M磷酸缓冲液(pH值= 7.5)。 图4(一)含有乳酸检测的电化学反应原理。
  2. 以类似的方式进行血糖检测,通过测量计时在-0.05至五传感器的响应和录制后15秒,在0.1 M磷酸缓冲液(pH值7.0)的电流。 图4(b)包含的电化学反应原理ðetection葡萄糖。
  3. pH值监测运行从-0.7 V至0.8 V,100 mV / s的循环伏安扫描和记录的氧化峰电位的地位。检测pH值,氧化还原反应的原理如图5所示。
  4. 葡萄糖和乳酸传感器的校准曲线可以由各自的分析物的连续增加;计时测量后每个待测除了执行在5.1和5.2节所述。另外,固定潜在的计时测量,可在搅拌下,同时允许在待测电流稳定除了彼此之间有足够的时间(10-100秒)。
  5. pH校准曲线可以创建通过一系列已知的pH值,氧化峰电位测量的位置,从5日至8 1.0 pH单位递增,并记录,如5.3节所述的循环伏安。

5。代表回复sults

获得计时曲线粘贴填充修饰碳微针的静态解决方案(例如,血糖检测或乳酸检测)时,电流会立即根据各自的检测潜在的应用减少。它最终将衰减到一个稳定的状态值。一个有代表性的结果如图6所示;乳酸微针从2毫米增加乳酸和录音得到这个结果。该解决方案必须简单搅拌每个乳酸此外后。 15秒后电流上升后增加乳酸浓度;电流响应可以被用来确定未知溶液中的乳酸浓度。另外,连续监测可以用来搅拌的解决方案(或在流动性的解决方案)为增加血糖浓度( 图5)的解决方案。再次,在当前的增长后增加ţ他的血糖浓度,可以使用规范的血糖反应到一个未知的解决方案。每穗后,必须有足够的时间允许,以便稳定的解决方案。在0.1 M磷酸缓冲液的pH值敏感的微针的循环伏安曲线显示了四个不同的pH值的解决方案,从5日至8合1的pH值在图6中的单位增量。氧化峰电位随pH值的变化,这种现象被用来作为pH值的指标。

图1
图1。STL文件在SolidWorks(A)和打印屏幕,它显示了支撑结构(二)创建的微针阵列的图像。

图2
图2。扫描电子显微镜的微针阵列(A)和(二)内这个数组的单个微针。


图3。柔性扁平电缆装配示意图。涉及的步骤,包括修改的柔性扁平电缆(A),烧蚀图案界(二),开始消融的聚酯薄膜层,这是充满了碳糊(三),以及添加第二聚酯薄膜烧蚀层和交配微针阵列(D) 点击此处查看大图

图4
图4。校准乳酸敏感粘贴在0.1 M磷酸缓冲液(pH = 7.5),15秒的计时,-0.15至五扫描。每个电流对应的乳酸2毫米除了增加。

图5
图5。

图6
图6 pH值敏感的碳循环伏安(CV)的粘贴在pH值5-8 1个pH单位的增量(水鸭= 8.0 pH值,绿色= pH值7.0,紫色= pH值6.0,红色= pH值5.0),0.1 M磷酸缓冲。第五CV与Ag / AgCl电极的参考和铂丝对电极用于分析。

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Discussion

基于这种微针传感器的设计的多个方面被认为是前设备制造。为了使用这种传感器,实时检测传感器的响应时间必须是低的,在这个协议中,每个测试传感器具有响应时间低于十五秒。其选择性体内环境,其中包含可以干扰与电极反应的电化学生物分子内也选择在本协议中使用的浆料。除了粘贴组成,经营潜力的选择,以尽量减少干扰电活性的影响。微针阵列的制造成功,需要选择一个合适的微针的设计和微针材料。这两个方面将决定是否微针可穿破皮肤,保护电极的物理伤害,并妨碍电极与组织接触。应当指出的是,外部的Ag / AgCl电极和Pt指ENCE和反电极,用于测量过程中,在体内使用本设备与人或动物的科目,需要在设备中,这些电极。

微针基于传感器的每个组件必须验证功能,以确保功能正常。 ( 图3)扁平电缆的修改过程中的质量控制,确保绝缘层完全去除表面激光烧蚀后镀锡铜线( 图3)。从表面激光消融后的铜线绝缘层的失败可能会导致不规则的反应,由于不完整的电气接触。激光烧蚀的聚酯薄膜胶带需要用显微镜检查,以确保每个开口的直径是一致的,因为它定义工作区的电极。当应用到激光烧蚀的聚酯薄膜胶带腔粘贴的碳,粘贴必须符合没有多余的确切孔直径,以避免信号的变化,由于表面积的差异。在修饰碳糊计时测量,信号必须稳定当前记录之前限制值。这些结果可以稍微有所不同,因为混合效果。机械测试的微针阵列传感器纳入之前完成;在先前的研究中,我们的小组发现,这些阵列是猪皮肤穿刺能力,这是用来作为模拟人体皮肤微针阵列应该不会发生变形或断裂期间。因为这些过程的渗透皮肤可能会导致电极损坏。

该协议已经详细介绍了一种新型透皮电化学监测设备的建设。我们设想涉及微针传感器的今后努力的一个独立寻址的微针更大数量和更多种类的TRansducers。该设备是专为在人类间质液的分析,与动物的使用也可能与具体物种的适当修改微针设计。这项技术的未来发展方向,包括但不仅限于远程病人监护仪,以及具有自动化遥感给药的给药装置的耦合。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

桑迪亚是multiprogram的实验室桑迪亚公司是洛克希德 - 马丁公司,美国能源部下属的国家核安全管理局根据合同DE-AC04-94AL85000经营。作者们承认,资金由美国桑迪亚国家实验室的实验室指导研究和开发(LDRD)计划。

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