MICRO-creux à base de capteur pour multiplexée transdermique Sensing électrochimique

Bioengineering

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Summary

Cet article décrit la construction d'un multiplex microaiguilles capteur à base de. Le dispositif est en cours d'élaboration pour l'échantillonnage in situ et d'analyse électrochimique des analytes multiples, d'une manière rapide et sélective. Nous envisageons la médecine clinique et la recherche biomédicale utilise pour ces capteurs à base de micro-aiguille.

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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

Le développement d'un système de surveillance multiplexés mini-invasive pour l'analyse rapide de molécules biologiquement pertinentes pourraient offrir-des individus souffrant de maladies chroniques d'évaluation facile de leur état physiologique immédiate. En outre, elle pourrait servir comme un outil de recherche pour l'analyse des complexes, une multitude de conditions médicales. Pour un tel capteur multianalyte être réalisé, il doit être minimalement invasive, l'échantillonnage de fluide interstitiel doit se faire sans douleur ou des dommages à l'utilisateur, et l'analyse doit être rapide, ainsi que sélective.

Initialement développé pour la douleur sans délivrance de médicaments, micro-aiguilles ont été utilisés pour fournir des vaccins et des agents pharmacologiques (par exemple, l'insuline) à travers la peau. 1-2 Étant donné que ces appareils accéder à l'espace interstitiel, micro-aiguilles qui sont intégrés avec des microélectrodes peut être utilisé comme transdermique capteurs électrochimiques. La détection sélective de glucose, le glutamate, le lactate, hl'acide peroxyde d'ydrogen, et l'acide ascorbique a été démontrée à l'aide d'électrodes intégrées microaiguilles-périphériques avec des fibres de carbone, des pâtes de carbone modifiés, et de micro-aiguilles polymère recouvert de platine servant d'éléments de transduction. 3-7,8

Cette technologie de capteur micro-aiguille a permis un roman et sophistiqué approche analytique pour la détection in situ et simultanée de plusieurs analytes. Multiplexage offre la possibilité de contrôler microenvironnements complexes, qui sont par ailleurs difficiles à caractériser de manière rapide et peu invasive. Par exemple, cette technologie pourrait être utilisée pour la surveillance simultanée des niveaux extracellulaires de glucose, le lactate et le pH, 9 qui sont d'importants indicateurs métaboliques de la maladie Etats 7,10-14 (par exemple, le cancer prolifération) et induite par l'exercice d'acidose 15.

Protocol

1. MICRO fabrication

  1. En utilisant trois dimensions logiciels de modélisation Solidworks (Dassault Systèmes SA, Velizy, France), concevoir un tableau de forme pyramidale Micro-aiguille creuse (Figure 1) 3-5.
  2. Concevoir une structure de soutien pour le réseau micro-aiguille à l'aide Magics RP 13 logiciels (Materialise NV, Leuven, Belgique). La structure de support permet à la résine de s'écouler à partir du dispositif pendant la fabrication et fournit une base sur laquelle les micro-aiguilles sont construits. Une structure de support est par exemple de la figure 1.
  3. Le soutien lié et les fichiers sont téléchargés tableau microaiguilles dans le logiciel Perfactory RP (envisionTEC GmbH, Gladbeck, Allemagne), qui contrôle le processus de fabrication. Dans ce logiciel, choisissez le nombre de tableaux MICRO être fabriqués et déterminer l'emplacement des dispositifs sur la plaque de fabrication.
  4. Exécutez l'étalonnage en mode ultra-violet à 180 mW pour la pr Perfactory rapideSystème de fabrication ototyping et vérifier l'écart de l'énergie est inférieure à ± 2 mW.
  5. Une fois la fabrication terminée, retirez les tableaux microaiguilles de la plaque de base et de développer dans de l'isopropanol pendant 15 minutes. Sécher les tableaux avec de l'air comprimé et de guérir les micro-aiguilles à température ambiante pendant 50 secondes dans le système de post-cuisson Otoflash (envisionTEC GmbH, Gladbeck, Allemagne) afin d'assurer une polymérisation complète.
  6. Valider la fabrication micro-aiguille par microscopie et de vérifier que chaque micro-aiguille alésage est creux et sans obstruction. Microaiguilles entièrement fabriqués sont présentés dans la figure 2.

2. Fabrication de tableaux pâte d'électrode de carbone

  1. Utiliser un modèle 60 W 6,75 CO 2 raster / vecteur système laser (Universal Laser Systems, Inc, Scottsdale, AZ) à percer des trous et d'exposer les sous-jacents adressables individuellement les fils de cuivre reliant dans un câble plat flexible (21039-0249), qui était obtenu à partir d'une source commerciale (Molex connecteur Corp, Lisle, IL) (figure 3 (A et B)). Placez les câbles plats flexibles dans un gabarit pour les aligner correctement sur la plaque d'ablation laser. Utilisation d'une approche tramage pour créer des cavités 500 um diamètre dans la partie isolante du câble flexible. Modèles pour l'ablation sont créés dans CorelDraw (Corel, Ottawa, Ontario) et envoyé au système de laser.
  2. Nettoyez les modifiés câbles plats flexibles avec un aérographe que l'acétone pulvérisations à 40 psi. Terminer les nettoyer par rinçage avec de l'eau déminéralisée et l'isopropanol. Vérifiez sous un microscope qui ne reste film isolant sur les bandes de cuivre exposés.
  3. La prochaine étape est de créer une cavité de retenue pour l'emballage des pâtes de carbone. Bande Melinex (0,002 "d'épaisseur recouvert d'un seul côté avec un adhésif acrylique sensible à la pression) est enlevée par le même schéma que les bandes d'électrodes, orientés sur les bandes d'électrodes ablation et compressés à 3000 psi pendant 2 minutes pour assurer une connexion correcte. Dans ce casoi, le diamètre de la cavité est de 750 um.
  4. Une couche supplémentaire de bande Melinex (0,004 "épaisseur revêtue sur les deux faces avec un adhésif acrylique sensible à la pression) est ensuite ablatée dans le même motif que la bande adhésive simple face et est utilisé après alignement à lier les matrices des matrices de micro-aiguille de carbone pâte d'électrode .

3. Synthèse des pâtes de carbone fonctionnels et l'emballage des cavités électrodes

  1. La pâte de carbone du glucose sensible est basé sur une recette de précédent et est obtenue par mélange de 10 mg de glucose oxydase et 2,2 mg de poly (éthylènimine) jusqu'à ce qu'un mélange homogène soit obtenu. 16 à ce mélange, de 60 mg de rhodium sur du carbone en poudre ( 5% de chargement) est ajouté. 40 mg d'huile minérale est ajoutée et ensuite mélangé. Les pâtes sont conservés à 4 ° C jusqu'à leur utilisation, les pâtes sont utilisées jusqu'à une semaine après sa préparation.
  2. La pâte de carbone sensible au pH est obtenue par mélange d'huile minérale 30% (p / p) et 70% (p / p) de graphite poudre. Emballez collez-le dans la cavité de l'électrode comme décrit dans la section 3.4. Faire une solution de 10 mM Bleu sel de diazonium rapide RR (4-benzoylamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium chlorure de hémi (chlorure de zinc) de sel) dans 0,5 M d'acide phosphorique. 17, place une baisse de 20 pi de cette solution sur l'électrode en pâte à emporter pour 30 minutes spontanément chimisorber le sel Fast Blue diazonium PR. Rincer à l'eau déminéralisée et un magasin dans un tampon ou de l'eau déminéralisée lorsqu'il n'est pas utilisé.
  3. La pâte de carbone lactate sensible est basé sur une recette de précédent et est obtenu en mélangeant 2,5 mg de rhodium sur la poudre de carbone et 2,5 mg de la lactate oxydase, en alternant entre 5 minutes de sonication et 5 minutes de vortex pendant cinq rotations. 18
  4. Emballage des pâtes à jour dans le câble plat flexible préparée est réalisée en appliquant les pâtes respectifs sur les cavités d'électrodes. En utilisant un morceau de plastique mince (par exemple, un bord d'un bateau en plastique pèsent) comme une truelle et un pack til pâte jusqu'à une surface lisse. Répéter l'opération avec un deuxième bateau pesant propre jusqu'à ce que la pâte en excès est éliminé. Laver à l'eau déminéralisée. Un schéma montrant l'ablation laser pour créer des cavités, l'emballage des pâtes de carbone, et l'intégration micro-aiguille (décrit dans la section 2 et 3) est présenté dans la Figure 3.

4. Détection et étalonnage des capteurs

  1. Détection lactate est accomplie en mesurant la réponse du capteur chronoampérométrique à -0,15 V et le courant d'enregistrement après 15 secondes dans 0,1 M de tampon phosphate (pH = 7,5). Figure 4 (a) contient un schéma de la réaction électrocatalytique pour la détection de lactate .
  2. La détection du glucose est effectué d'une manière similaire en mesurant la réponse du capteur chronoampérométrique à -0,05 V et le courant d'enregistrement après 15 secondes dans un tampon phosphate 0,1 M (pH 7,0). Figure 4 (b) contient un schéma de la réaction électrocatalytique pour dÉTECTION de glucose.
  3. pH est contrôlé en exécutant cycliques balayages voltammétriques de -0,7 V à 0,8 V à 100 mV / s et à enregistrer la position du pic de potentiel d'oxydation. Un schéma des réactions d'oxydo-réduction pour la détection du pH est montré dans la figure 5.
  4. Des courbes d'étalonnage pour les capteurs de glucose et de lactate peut être créé par ajouts successifs de l'analyte respectif; mesures chronoampérométriques effectuez après chaque addition analyte tel que décrit dans les sections 5.1 et 5.2. Alternativement, fixes potentiels des mesures chronoampérométriques peut être faite sous agitation tout en laissant suffisamment de temps (environ 10-100 secondes) entre chaque ajout d'analyte pour la stabilisation en cours.
  5. courbes d'étalonnage de pH peuvent être créés par la mesure de la position du pic de potentiel oxydatif au cours d'une série de valeurs de pH connus de 5 à 8 par incréments de 1,0 unité de pH et d'enregistrement voltampérogrammes cycliques comme décrit dans la section 5.3.

5. Re Représentantsultats

Lors de l'obtention des courbes chronoampérométriques (par exemple, pour la détection du glucose ou de détection de lactate) dans des solutions de repos avec de carbone modifié collez-remplis micro-aiguilles, le courant sera immédiatement diminuer lors de l'application du potentiel de détection respective. Il finira par se désintégrer à une valeur d'état stationnaire. Un résultat représentatif est montré dans la figure 6, ce résultat a été obtenu à partir de 2 ajouts mM de lactate et de l'enregistrement à la micro-aiguille lactate. La solution doit être brièvement agitée après chaque addition de lactate. Le courant après 15 secondes s'élève à augmenter la concentration de lactate; la réponse en courant peut ensuite être utilisé pour déterminer la concentration de lactate dans une solution inconnue. Alternativement, un contrôle continu peut être utilisé dans une solution agitée (ou dans une solution qui s'écoule) comme le montre pour une solution avec une concentration en glucose plus (figure 5). Encore une fois, l'augmentation du courant lors de plus en plus tconcentration de glucose il peut être utilisé pour normaliser la réponse de glucose à une solution inconnue. Suffisamment de temps doit être accordé après chaque pointe afin de permettre à la solution de se stabiliser. Voltampérogrammes cycliques à la micro-aiguille sensible au pH de 0,1 M de tampon phosphate sont présentés sur quatre solutions de pH différents de 5 à 8 par incréments de 1 unité de pH dans la figure 6. Les changements potentiels d'oxydation de pointe avec une augmentation du pH, ce phénomène est utilisé comme un indicateur de la valeur du pH.

Figure 1
Figure 1. Images de l'STL de la matrice microaiguille créé dans Solidworks (A) et de l'écran d'impression, qui indique la structure de support (B).

Figure 2
Figure 2. Microscope électronique à balayage de la matrice micro-aiguille (A) et une micro-aiguille unique à l'intérieur de cette matrice (B).


Figure 3. Schéma d'assemblage de câbles plats flexibles. Les étapes consistent à modifier le câble plat flexible (A), l'ablation des cercles à motifs (B), ajout de la couche ablatée initialement Melinex, qui est remplie avec du carbone pâte (C), ainsi que l'ajout du deuxième couche ablatée Melinex et l'accouplement tableau micro-aiguille (D). Cliquez ici pour agrandir la figure .

Figure 4
Figure 4. D'étalonnage de lactate-sensibles pâte avec 15 secondes scans chronoampérométriques à -0,15 V à 0,1 M de tampon phosphate (pH = 7,5). Chaque augmentation de courant correspond à une addition de 2 mM de lactate.

Figure 5
Figure 5.

Figure 6
Figure 6. Voltamogramme cyclique (CV) de carbone sensible au pH coller dans un tampon phosphate 0,1 M pH 5-8 sur incréments de 1 unité de pH (pH 8,0 = sarcelle, vert = pH 7,0, violet = pH 6,0, rouge = pH 5,0). Un CV cinquième a été utilisé pour l'analyse versus Ag / AgCl électrodes de référence et contre-Pt fils.

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Discussion

Aspects multiples de la conception de ce capteur micro-aiguille à base ont été pris en compte avant la fabrication de dispositifs. Afin d'utiliser ce capteur pour la détection en temps réel, le temps de réponse du capteur doit être faible; dans ce protocole, chaque capteur testé présentait un temps de réponse ci-dessous une quinzaine de secondes. Pâtes utilisées dans le présent protocole ont également été choisis pour leur sélectivité dans dans des environnements in vivo, qui contiennent des biomolécules électroactifs qui peuvent interférer avec la réponse de l'électrode. En plus de coller la composition, les potentiels d'exploitation ont été choisis afin de minimiser l'influence d'interférer espèces électroactives. La fabrication réussie de la matrice de micro-aiguille implique le choix d'un design approprié et du matériel micro-aiguille micro-aiguille. Ces deux aspects permettra de déterminer si la micro-aiguille peut percer la peau, protéger les électrodes contre les dommages physiques, et d'empêcher électrode-tissu de contact. Il convient de noter que l'externe Ag / AgCl et Pt se référerélectrodes rence et contre ont été utilisés pendant les mesures; l'utilisation in vivo de ce dispositif avec des sujets humains ou des animaux, il faudrait que ces électrodes doit être intégrée dans l'appareil.

Chaque composant du capteur à base de micro-aiguille a des caractéristiques qui doivent être validés pour garantir le bon fonctionnement. Contrôle de la qualité lors de la modification du câble flexible plat (figure 3B) consiste à s'assurer que la couche isolante est complètement enlevée de la surface des fils de cuivre étamé, après l'ablation au laser (figure 3). Ne pas retirer la couche isolante de la surface du fil de cuivre après l'ablation au laser peut provoquer des réactions en situation irrégulière en raison de contact électrique incomplète. La bande ayant subi une ablation par laser Melinex doit être examiné au microscope à faire en sorte que le diamètre de chaque ouverture est compatible tel qu'il définit la zone de travail de l'électrode. Lors de l'application pâte de carbone dans les cavités laser ablation bande Melinex,la pâte doit être conforme au diamètre du trou exacte sans excès afin d'éviter les variations de signal dues aux différences de surface. Pendant les mesures chronoampérométriques avec pâtes de carbone modifié, le signal doit stabiliser à une valeur limite de courant est enregistrée avant. Ces résultats peuvent varier légèrement en raison des effets de mélange. Essais mécaniques des tableaux MICRO a été réalisée avant la constitution du capteur; dans une étude précédente, notre groupe a montré que ces tableaux étaient capables de perforer la peau de porc, qui a été utilisé comme un convertisseur analogique pour la peau humaine 3 tableaux MICRO ne devraient pas subir de déformation ou de fracture au cours. pénétration dans la peau, car ces procédés pourraient conduire à des dommages de l'électrode.

Ce protocole a détaillé la construction d'un nouveau dispositif transdermique pour la surveillance électrochimique. Nous envisageons les efforts futurs impliquant des capteurs micro-aiguille avec un plus grand nombre de micro-aiguilles adressables individuellement et une plus grande variété de transducers. Cet appareil a été conçu pour l'analyse du liquide interstitiel chez les humains, l'utilisation des animaux est également possible avec appropriées spécifiques à l'espèce modifications à la conception micro-aiguille. Les orientations futures de cette technologie incluent, mais ne sont pas limitées à la surveillance des patients à distance ainsi que le couplage avec un dispositif de délivrance de médicaments pour la détection automatique-administration de médicaments.

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Disclosures

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Acknowledgments

Sandia est laboratoire multiprogramme opéré par Sandia Corporation, une société Lockheed Martin, pour la United States Department of Energy National Nuclear Security Administration en vertu du contrat DE-AC04-94AL85000. Les auteurs tiennent à remercier le financement du Laboratoire de Sandia National Laboratories »Réalisé Recherche & Développement (LDRD) programme.

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