Hollow microago-based sensore per Multiplexed transdermico elettrochimica Sensing

Bioengineering

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Summary

Questo articolo descrive in dettaglio la costruzione di un multiplex microago basato su sensore. Il dispositivo viene sviluppato per il campionamento in situ e analisi elettrochimica di analiti multipli in maniera rapida e selettiva. Prevediamo medicina clinica e nella ricerca biomedica utilizza per questi microneedle basati su sensori.

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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

Lo sviluppo di un sistema di mini-invasiva di monitoraggio multiplex per l'analisi rapida di molecole biologicamente rilevanti potrebbe offrire agli individui affetti da patologie croniche facile la valutazione del loro stato fisiologico immediato. Inoltre, potrebbe servire come strumento di ricerca per l'analisi di complessi, multifattoriali condizioni mediche. Affinché tale sensore multianalyte da realizzare, deve essere minimamente invasiva, il campionamento di fluido interstiziale deve avvenire senza dolore o danni per l'utente, e l'analisi deve essere rapida e selettiva.

Inizialmente sviluppato per il dolore senza somministrazione di farmaci, microaghi sono stati usati per fornire vaccini e agenti farmacologici (per esempio, insulina) attraverso la pelle. 1-2 Poiché questi dispositivi accedere allo spazio interstiziale, microaghi che sono integrati con i microelettrodi può essere utilizzato come transdermico sensori elettrochimici. Rilevamento selettivo di glucosio, glutammato, lattato, hacido perossido ydrogen, e ascorbico è stata dimostrata usando integrati microago elettrodi dispositivi con fibre di carbonio, paste carbonio modificati e platino rivestite microaghi polimero che servono come elementi di trasduzione. 3-7,8

Questa tecnologia dei sensori microneedle ha permesso un nuovo e raffinato approccio analitico per la rilevazione in situ e simultanea di più analiti. Multiplexing offre la possibilità di monitorare microambienti complessi, che sono altrimenti difficili da caratterizzare in modo rapido e minimamente invasiva. Ad esempio, questa tecnologia può essere utilizzata per il monitoraggio simultaneo dei livelli di extracellulari, glucosio, lattato e pH, 9 che sono importanti indicatori metabolici di stati di malattia 7,10-14 (ad esempio, cancro proliferazione) e esercizio indotta acidosi 15.

Protocol

1. Microago Fabrication

  1. Utilizzando la modellazione tridimensionale del software Solidworks (Dassault Systemes SA, Velizy, Francia), la progettazione di un piramidale a forma di array di cava microneedle (Figura 1). 3-5
  2. Progettare una struttura di supporto per l'array microneedle utilizzando software Magics RP 13 (Materialise NV, Leuven, Belgio). La struttura di supporto consente la resina di drenare dal dispositivo durante la fabbricazione e fornisce una base su cui sono costruiti i microaghi. Una struttura di supporto esempio è illustrato nella figura 1.
  3. Il supporto dei file collegati e matrice microago vengono inseriti nella RP Perfactory software (envisionTEC GmbH, Gladbeck, Germania), che controlla il processo di fabbricazione. All'interno di questo pacchetto software, scegliere il numero di array microago da fabbricati e determinare il posizionamento dei dispositivi sulla piastra di fabbricazione.
  4. Eseguire calibrazione in modo ultravioletta a 180 mW per la rapida Perfactory prototyping sistema di produzione e verificare la deviazione di energia rientra in ± 2 mW.
  5. Una volta che la fabbricazione, rimuovere gli array microago dalla piastra di base e sviluppare in isopropanolo per 15 minuti. Asciugare le matrici con aria compressa e curare i microaghi a temperatura ambiente per 50 secondi nel sistema Otoflash postindurimento (envisionTEC GmbH, Gladbeck, Germania) per garantire la completa polimerizzazione.
  6. Convalida di fabbricazione microneedle tramite microscopia e verificare che ogni foro microneedle è cavo e senza ostacoli. Microaghi completamente fabbricati sono mostrati nella Figura 2.

2. Fabbricazione di pasta di carbonio array di elettrodi

  1. Utilizzare un modello di 60 W 6,75 CO 2 raster / vettoriale sistema laser (Universal Laser Systems, Inc., Scottsdale, AZ) per tagliare i fori ed esporre i sottostanti cavi di rame che collegano individualmente indirizzabili in un cavo piatto flessibile (21039-0249), che era ottenuta da una fonte commerciale (MoConnettore lex Corp., Lisle, IL) (Figura 3 (A e B)). Posizionare i cavi piatti flessibili, in una giga correttamente li allineare sulla piastra ablazione laser. Utilizzare un approccio rastering per creare cavità 500 micron di diametro nella porzione isolante del cavo flessibile. Patterns per l'ablazione sono create in CorelDraw (Corel, Ottawa, Ontario) e inviati al sistema laser.
  2. Pulire i modificati cavi piatti flessibili con un aerografo che l'acetone spray a 40 psi. Terminare la pulizia loro da risciacquo con acqua deionizzata e isopropanolo. Verificare che sotto un microscopio che nessun film isolante rimane sopra le strisce di rame esposte.
  3. Il passo successivo è quello di creare una cavità in possesso per il confezionamento delle paste di carbonio. Melinex nastro (0,002 "spessore rivestito su un unico lato con adesivo acrilico sensibile alla pressione) è ablato con lo stesso schema delle strisce di elettrodo, orientate sulle strisce elettrodi asportate e compressi a 3000 psi per 2 minuti per assicurare un corretto. In questo case, il diametro della cavità è di 750 micron.
  4. Un ulteriore strato di nastro Melinex (0,004 "spessore rivestito su due lati con adesivo acrilico sensibile a pressione) viene successivamente ablato nello stesso modello singolo-adesivo e viene utilizzato dopo allineamento per legare gli array di microaghi per le matrici di elettrodi di carbonio pasta .

3. Sintesi di Paste di carbonio funzionali e Imballaggio di cavità elettrodi

  1. La pasta di carbonio sensibile glucosio è basata fuori di una ricetta precedente ed è ottenuta miscelando 10 mg di glucosio ossidasi e 2,2 mg di poli (etilenimmina) fino ad una miscela omogenea. 16 A questa miscela, 60 mg di rodio su carbone in polvere ( 5% di carico) è aggiunto. 40 mg di olio minerale viene aggiunta e successivamente miscelate. Le paste sono conservati a 4 ° C fino all'uso, le paste sono utilizzati fino ad una settimana dopo la preparazione.
  2. La pasta di carbonio sensibile pH è ottenuto miscelando olio minerale al 30% (w / w) e 70% (w / w) p grafiteowder. Confezione da incollare nella cavità elettrodo come descritto nella sezione 3.4. Fare soluzione di 10 mM veloce sale di diazonio Blu RR (4-benzoilammino-2 ,5-emi dimethoxybenzenediazonium cloruro (cloruro di zinco) sale) in 0,5 M di acido fosforico. 17, Mettere una goccia 20 pl di questa soluzione sull'elettrodo pasta imballato per 30 minuti per chemisorb spontaneamente il Fast Blue sale di diazonio PR. Risciacquare con acqua deionizzata e conservare in tampone o acqua deionizzata quando non in uso.
  3. La pasta lattato carbonio sensibile è basato su di una ricetta precedente ed è ottenuta miscelando 2,5 mg di rodio su polvere di carbone e 2,5 mg di lattato ossidasi, alternando 5 minuti di sonicazione e 5 minuti di vortex per cinque rotazioni 18.
  4. Imballaggio delle paste modificate nel preparato cavo piatto flessibile viene eseguita applicando le paste rispettive cavità negli elettrodi. Utilizzando un pezzo sottile di plastica (per esempio, un bordo di una imbarcazione plastica peso) come una spatola e t paccosi incolla fino ad una superficie liscia si ottiene. Ripetere l'operazione con una seconda barca pulita pesata, finché la pasta in eccesso viene rimosso. Lavare con acqua deionizzata. Uno schema che mostra ablazione laser per creare cavità, confezionamento di paste di carbonio, e integrazione microago (descritto nella sezione 2 e 3) è presentata in Figura 3.

4. Individuazione e calibrazione del sensore

  1. Lattato rilevamento avviene misurando la risposta crono del sensore a -0,15 V e registrando la corrente dopo 15 secondi in 0,1 M tampone fosfato (pH = 7,5). Figura 4 (a) contiene una schematica della reazione elettrocatalitico per il rilevamento di lattato .
  2. Rilevamento del glucosio viene effettuato in modo analogo misurando la risposta crono del sensore a -0,05 V e registrando la corrente dopo 15 secondi in tampone fosfato 0,1 M (pH 7,0). Figura 4 (b) contiene una schematica della reazione per elettrocatalitico detection di glucosio.
  3. pH è controllato eseguendo ciclici scansioni voltammetriche da -0,7 V a 0,8 V a 100 mV / s e registrare la posizione del picco potenziale ossidativo. Uno schema delle reazioni redox per il rilevamento pH viene mostrato nella Figura 5.
  4. Le curve di calibrazione per il glucosio e sensori di lattato può essere creato con aggiunte successive del rispettivo analita; misurazione crono esegue dopo ogni aggiunta di analita, come descritto nelle sezioni 5.1 e 5.2. In alternativa, misure di potenziale fisso crono può essere effettuata sotto agitazione pur consentendo tempo sufficiente (circa 10-100 secondi) tra ogni aggiunta di analita per stabilizzazione della corrente.
  5. curve di taratura pH può essere costruito misurando la posizione del potenziale di picco ossidativo su una serie di valori di pH noti 5-8 in incrementi di 1,0 unità di pH e registrare voltammograms ciclici come descritto nella sezione 5.3.

5. Rappresentante Resultati

Quando si ottengono curve crono (ad esempio, per il rilevamento di glucosio o di rilevamento lattato) in soluzioni di riposo con il carbonio modificato incolla-riempite microaghi, la corrente diminuire immediatamente su richiesta del potenziale di rilevazione corrispondente. Si potrebbero decadere ad un valore di stato stazionario. Un risultato rappresentativo è mostrato nella figura 6; questo risultato è stato ottenuto da aggiunte 2 mM di lattato e registrazione al microago lattato. La soluzione deve essere agitata brevemente dopo ogni aggiunta lattato. La corrente dopo 15 secondi si erge su aumento della concentrazione di lattato, la reazione di corrente può essere quindi utilizzato per determinare la concentrazione di lattato in una soluzione sconosciuta. In alternativa, il monitoraggio continuo può essere utilizzato in una soluzione agitata (o in una soluzione scorrevole) come dimostrato per una soluzione con una concentrazione crescente di glucosio (Figura 5). Ancora, l'aumento di corrente su crescente tegli concentrazione di glucosio può essere utilizzato per standardizzare la risposta di glucosio ad una soluzione sconosciuta. Tempo sufficiente deve essere consentita dopo ogni picco per permettere la soluzione di stabilizzazione. Voltammograms ciclico nella microago sensibile al pH in tampone fosfato 0,1 M sono mostrati in quattro diverse soluzioni pH da 5 a incrementi pH 8 a 1 unità in Figura 6. I cambiamenti ossidativi potenziale picco all'aumentare del pH, questo fenomeno è utilizzato come indicatore del valore di pH.

Figura 1
Figura 1. Immagini del file STL della matrice microago creata in Solidworks (A) e dello schermo di stampa, che mostra la struttura di supporto (B).

Figura 2
Figura 2. Scansione micrografie elettroniche di matrice microago (A) e un microago unico entro questa matrice (B).


Figura 3. Schema di appartamento assemblaggio cavo flessibile. I passaggi includono modificando il cavo piatto flessibile (A), i cerchi ablazione modellati (B), aggiungendo lo strato inizialmente ablata Melinex, che viene riempito con pasta di carbonio (C), così come l'aggiunta del secondo strato ablato Melinex e l'accoppiamento matrice microneedle (D). Clicca qui per ingrandire la figura .

Figura 4
Figura 4. Taratura di lattato-sensitive pasta con 15 scansioni al secondo crono a -0,15 V a 0,1 M tampone fosfato (pH = 7.5). Ogni aumento portata corrisponde ad un incremento 2 mM di lattato.

Figura 5
Figura 5.

Figura 6
Figura 6. Voltammogramma ciclica (CV) di carbonio sensibile al pH incolla in tampone fosfato 0,1 M pH sul 5-8 in incrementi di 1 unità di pH (pH = 8,0 ottanio, verde = pH 7,0, viola = pH 6,0, rosso pH = 5.0). Un curriculum quinto è stato utilizzato per l'analisi rispetto a Ag / AgCl elettrodi di riferimento e Pt contatore a filo.

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Discussion

Molteplici aspetti del design di questo microago basato su sensori sono stati considerati prima di fabbricazione del dispositivo. Per utilizzare questo sensore per rilevare in tempo reale, il tempo di risposta del sensore deve essere bassa, in questo protocollo, ciascun sensore testato mostrato un tempo di risposta inferiore quindici secondi. Paste utilizzati nel presente protocollo sono stati scelti per la loro selettività nel vivo, in ambienti che contengono biomolecole elettroattivi che possono interferire con la risposta dell'elettrodo. Oltre a incollare la composizione, le potenzialità operative sono stati scelti per minimizzare l'influenza di interferire specie elettroattivi. Fabbricazione successo della matrice microago comporta la selezione di un disegno microago adatto materiale e microago. Questi due aspetti determinerà se il microneedle può forare la pelle, proteggere gli elettrodi da danni fisici, e precludono contatto elettrodo-tessuto. Si noti che uno esterno Ag / AgCl e Pt riferisconoelettrodi renza e contatore sono stati utilizzati durante le misurazioni; uso in vivo di questo dispositivo con soggetti umani o animali richiederebbe che tali elettrodi essere incorporata nel dispositivo.

Ogni componente della microago basato su sensore dispone di funzioni che devono essere convalidati per garantire la corretta funzionalità. Il controllo di qualità durante la modifica del cavo piatto flessibile (Figura 3 B) comporta garantire che lo strato isolante viene completamente rimosso dalla superficie dei stagno fili di rame dopo l'ablazione laser (Figura 3). La mancata rimozione strato isolante dalla superficie del filo di rame dopo l'ablazione laser può causare reazioni irregolari a causa incompleta contatto elettrico. Il laser-ablato nastro Melinex deve essere esaminato con un microscopio per garantire che il diametro di ciascuna apertura è coerente definisce la zona di lavoro dell'elettrodo. Quando si applica carbonio incollare i laser-ablazione cavità nastro Melinex,la pasta deve essere conforme al diametro del foro esatto senza eccesso per evitare variazioni di segnale dovute alle differenze di superficie. Durante la misurazione crono con paste carbonio modificati, il segnale deve stabilizzare ad un valore limite prima corrente viene registrato. Questi risultati possono variare leggermente a causa degli effetti di miscelazione. Prove meccaniche delle matrici microago è stata eseguita prima incorporazione sensore, in uno studio precedente, il gruppo mostrato queste matrici sono in grado di perforare la pelle suina, che è stato usato come segnale analogico per la pelle umana 3 matrici microago non deve subire deformazioni o frattura durante. penetrazione cutanea dal momento che questi processi potrebbe portare a danni elettrodo.

Questo protocollo è dettagliata la costruzione di un nuovo dispositivo transdermico per il monitoraggio elettrochimico. Prevediamo sforzi futuri che coinvolgono sensori microago con un numero ancora maggiore di microaghi individualmente indirizzabili ed una maggiore varietà di transducers. Questo dispositivo è stato progettato per l'analisi del liquido interstiziale nell'uomo; uso con gli animali è possibile anche con opportuni specie-specifiche modifiche di progettazione microago. Direzioni future con questa tecnologia includono ma non sono limitati a monitoraggio remoto paziente nonché accoppiamento con un dispositivo di somministrazione di medicinali per il rilevamento automatico-drug delivery.

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Disclosures

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Acknowledgments

Sandia è laboratorio multiprogram gestito da Sandia Corporation, una società Lockheed Martin, per gli Stati Uniti Detto Dipartimento dell'Amministrazione nazionale per l'energia di Sicurezza nucleare nell'ambito del contratto DE-AC04-94AL85000. Gli autori riconoscono un finanziamento Laboratory Sandia National Laboratories 'Regia di Ricerca e Sviluppo (LDRD) del programma.

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