Sensor de microagulhas baseado oco para Multiplexed Transdermal Eletroquímica Sensing

Bioengineering

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Summary

Este artigo detalha a construção de um sensor de microagulhas multiplexados baseado. O dispositivo está a ser desenvolvido para a amostragem in situ ea análise electroquímica de analitos múltiplos de uma maneira rápida e selectiva. Nós encaramos a medicina clínica e pesquisa biomédica usa para esses sensores baseados microagulhas.

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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

O desenvolvimento de um sistema de monitoramento minimamente invasivo multiplexados para análise rápida de moléculas biologicamente relevantes poderia oferecer aos indivíduos que sofrem de doenças crônicas avaliação simplista de seu estado fisiológico imediato. Além disso, poderia servir como uma ferramenta de pesquisa para a análise de complexos, multifatoriais condições médicas. A fim de que um tal sensor de multianalyte a ser realizado, ele deve ser minimamente invasiva, a amostragem de fluido intersticial deve ocorrer sem dor ou danos para o utilizador, e análise deve ser rápida, bem como selectiva.

Inicialmente desenvolvido para a dor livre de entrega da droga, microagulhas têm sido utilizados para fornecer vacinas e agentes farmacológicos (por exemplo, insulina) através da pele. 1-2 Uma vez que estes dispositivos de acesso ao espaço intersticial, microagulhas que são integrados com microeletrodos pode ser usado como transdérmica sensores eletroquímicos. Detecção selectiva da glucose, o glutamato, lactato, hácido ydrogen peróxido, e ascórbico foi demonstrada utilizando integrados microagulhas de eléctrodos de dispositivos com fibras de carbono, pastas de carbono modificados e microagulhas platina revestidos de polímero que servem como elementos de transdução. 3-7,8

Esta tecnologia de sensor de microagulhas permitiu uma nova e sofisticada abordagem analítica para detecção in situ e simultânea de múltiplos analitos. Multiplexing oferece a possibilidade de controlar microambientes complexos, que são de outro modo difícil de caracterizar de forma rápida e minimamente invasiva. Por exemplo, esta tecnologia pode ser utilizado para monitorização simultânea dos níveis extracelulares de, lactato, glicose e pH 9, que são importantes indicadores metabólicos de estados de doença 7,10-14 (por exemplo, cancro da proliferação) e induzida por exercício acidose. 15

Protocol

1. Fabricação de microagulhas

  1. Usando modelagem tridimensional software Solidworks (Dassault Systemes SA, Velizy, França), criar um piramidal em forma de matriz de microagulhas oco (Figura 1) 3-5.
  2. Projetar uma estrutura de suporte para a matriz de microagulhas usando Magics RP 13 software (Materialise NV, Leuven, Bélgica). A estrutura de suporte permite que a resina para drenar a partir do dispositivo durante a fabricação e fornece uma base sobre a qual as microagulhas são construídas. Uma estrutura de suporte exemplo é mostrado na Figura 1.
  3. O apoio ligado e arquivos de matriz microagulhas são enviados para o RP Perfactory software (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Alemanha), que controla o processo de fabricação. Dentro deste pacote de software, escolha o número de matrizes microneedle a ser fabricados e determinar a colocação de dispositivos na placa de fabricação.
  4. Executar calibração em modo de ultravioleta a 180 mW para a rápida Perfactory prototyping sistema de fabricação e verificar o desvio de energia está dentro de ± 2 mW.
  5. Uma vez que a fabricação está completa, remove as matrizes microneedle a partir da placa de base e desenvolver-se em isopropanol, durante 15 minutos. Secam-se as matrizes com ar comprimido e curar as microagulhas à temperatura ambiente durante 50 segundos no Sistema Postcuring Otoflash (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Alemanha) para assegurar a polimerização completa.
  6. Validar fabricação microneedle via microscopia e verificar que cada furo de microagulhas é oca e sem obstruções. Microagulhas totalmente-fabricadas são mostrados na Figura 2.

2. Fabricação de matrizes de carbono eletrogel

  1. Utilizar um modelo de 60 W 6,75 CO 2 raster / vector sistema de laser (Universal Laser Systems, Inc., Scottsdale, AZ) para cortar furos e expor as subjacentes individualmente endereçáveis ​​fios de cobre de ligação de um cabo flexível plana (21039-0249), que foi obtido a partir de uma fonte comercial (Molex conector Corp, Lisle, IL) (Figura 3 (A e B)). Colocar os cabos planos flexíveis em um gabarito para alinhar adequadamente los na placa de ablação por laser. Usar uma abordagem rastering para criar 500 cavidades diâmetro uM na porção de isolamento do cabo flexível. Padrões para ablação são criados no CorelDraw (Corel, Ottawa, Ontario) e enviado para o sistema de laser.
  2. Limpe os planos modificados cabos flexíveis com um aerógrafo que sprays acetona a 40 psi. Termine a limpeza-los por lavagem com água deionizada e isopropanol. Verificar sob um microscópio de que nenhum filme isolante permanece sobre as tiras de cobre expostas.
  3. O passo seguinte é o de criar uma cavidade de retenção para a embalagem de pastas de carbono. Fita Melinex (0,002 espessura "revestida em um único lado com adesivo acrílico sensível à pressão) é cauterizado com o mesmo padrão que as tiras de eléctrodos, orientadas ao longo das tiras de eléctrodos cauterizado, e comprimido a 3000 psi durante 2 minutos para assegurar uma ligação adequada. Em esta case, o diâmetro da cavidade é de 750 mM.
  4. Uma camada adicional de fita Melinex (0,004 "espessura revestida em dois lados com adesivo acrílico sensível à pressão) é subsequentemente ablated no mesmo padrão que a fita de lado único adesivo e é usado após o alinhamento para ligação das matrizes microneedle para as matrizes de carbono eletrogel .

3. Síntese das Pastas de carbono funcionais e Embalagem de cavidades Eletrodo

  1. A glicose de pasta de carbono sensível é baseado fora de uma receita anterior, e é obtida por mistura de 10 mg de glicose oxidase e 2,2 mg de poli (etilenimina) até uma mistura homogénea. 16 A esta mistura, 60 mg de ródio sobre carbono em pó ( 5% de carga) é adicionado. 40 mg de óleo mineral é adicionado e, subsequentemente, misturado. As pastas são armazenadas a 4 ° C até à sua utilização, as pastas são utilizados até uma semana após a preparação.
  2. O pH de pasta de carbono sensível é obtida por mistura de óleo mineral a 30% (w / w) e 70% (w / w) de grafite powder. Embale cole na cavidade do eletrodo como descrito na seção 3.4. Fazer solução de 10 Fast Blue RR sal de diazónio mM (4-benzoilamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium cloreto de hemi sal (cloreto de zinco)) em 0,5 M de ácido fosfórico. 17, colocar uma gota 20 uL desta solução sobre o eléctrodo de pasta embalado para 30 minutos para espontaneamente chemisorb o Fast Blue sal de diazônio PR. Enxágüe com água deionizada e armazenar em buffer ou água deionizada quando não em uso.
  3. A pasta de carbono lactato sensível é baseado fora de uma receita anterior, e é obtida por mistura de 2,5 mg de ródio sobre carbono em pó e 2,5 mg de lactato-oxidase, alternando entre 5 minutos de sonicação e 5 minutos de agitação em vórtice durante cinco rotações. 18
  4. Embalagem das pastas modificados no cabo plano preparada flexível é realizado através da aplicação das pastas respectivas sobre as cavidades dos eléctrodos. Usando uma parte fina de plástico (por exemplo, uma aresta de um barco de pesar de plástico) como uma espátula e t pacoteele colar até uma superfície lisa é alcançada. Repita com um barco limpo segunda pesagem até colar em excesso é removido. Lavar com água desionizada. Um esquema que mostra a ablação de laser para criar cavidades, a embalagem de pastas de carbono, e de microagulhas integração (descrito no ponto 2 e 3) é apresentada na Figura 3.

4. Detecção e calibração de sensores

  1. Detecção de lactato é conseguido através da medição da resposta cronoamperométrica do sensor a -0,15 V e de registo da corrente após 15 segundos em tampão fosfato 0,1 M (pH = 7,5). Figura 4 (a) contém um diagrama esquemático da reacção eletrocatalítica para a detecção de lactato .
  2. Detecção de glicose é realizada de uma maneira semelhante, medindo a resposta cronoamperométrica do sensor a -0,05 V e de registo da corrente após 15 segundos em tampão fosfato 0,1 M (pH 7,0). Figura 4 (b) contém um diagrama esquemático da reacção eletrocatalítica para detection de glicose.
  3. pH é monitorizado por execução cíclicos varreduras voltamétricas de -0,7 V a 0,8 V a 100 mV / s, e gravando a posição do pico potencial oxidativo. Um esquemática das reacções redox para a detecção de pH é mostrado na Figura 5.
  4. As curvas de calibração para a glicose e os sensores de lactato pode ser criado por adições sucessivas de substância a analisar respectivo; medições cronoamperométricos estão realizando depois de cada adição do analito, como descrito nas secções 5.1 e 5.2. Alternativamente, fixos potenciais medições cronoamperométricos pode ser feita sob agitação enquanto permite que o tempo suficiente (~ de 10-100 segundos) entre cada adição analito para a estabilização de corrente.
  5. as curvas de calibração de pH pode ser criado através da medição da posição do potencial de pico oxidativo longo de uma série de valores de pH conhecidos 5-8 em incrementos de 1,0 unidades de pH e gravando voltamogramas cíclicos como descrito na secção 5.3.

5. Re Representantesultados

Quando a obtenção de curvas de cronoamperometria (por exemplo, para a detecção de glicose ou de detecção de lactato) em soluções quiescentes de carbono modificado com cole-cheias microagulhas, a corrente irá diminuir de imediato a pedido do respectivo potencial de detecção. Será, eventualmente decair para um valor de estado estacionário. Um resultado representativo é mostrado na Figura 6, sendo este resultado foi obtido a partir de 2 adições mM de lactato e gravação na microagulhas lactato. A solução deve ser brevemente agitada após cada adição de lactato. A corrente após 15 segundos sobe sobre o aumento da concentração de lactato; a resposta de corrente pode então ser usado para determinar a concentração de lactato em uma solução desconhecida. Alternativamente, a monitorização contínua pode ser usado em uma solução agitada (ou em uma solução de fluxo) tal como demonstrado por uma solução com uma concentração de glicose crescente (Figura 5). Novamente, o aumento na corrente mediante o aumento tele concentração de glucose pode ser usada para padronizar a resposta da glucose a uma solução desconhecida. Tempo suficiente deve ser permitido após cada espiga, a fim de permitir que a solução para estabilizar. Os voltamogramas cíclicos na microagulhas sensível ao pH em 0,1 M de tampão fosfato são mostrados ao longo de quatro soluções de pH diferentes, de 5 a 8 em incrementos de 1 unidade de pH na Figura 6. Os turnos oxidativas de pico potenciais com o aumento do pH; este fenómeno é usado como um indicador do valor do pH.

A Figura 1
Figura 1. Imagens do arquivo STL da matriz de microagulhas criado em Solidworks (A) e da tela de impressão, que mostra a estrutura de suporte (B).

A Figura 2
Figura 2. Scanning micrografias electrónicas da matriz de microagulhas (A) e uma única microagulhas dentro deste matriz (B).


Figura 3. Esquema de montagem de cabo plano flexível. Os passos envolvidos incluem modificando o cabo plano flexível (A), a ablação dos círculos estampados (B), adicionando o inicialmente ablated camada Melinex, que é enchido com pasta de carbono (C), bem como a adição do segundo camada Melinex ablacionada e acasalamento o microneedle array (D). Clique aqui para ver maior figura .

A Figura 4
Figura 4. Calibração de lactato-sensível pasta com 15 segundos scans cronoamperométricos -0,15 V em tampão fosfato 0,1 M (pH = 7,5). Cada aumento na corrente corresponde a uma adição de 2 mM de lactato.

A Figura 5
Figura 5.

A Figura 6
Figura 6. Voltamograma cíclico (CV) de carbono sensível ao pH colar em tampão fosfato 0,1 M ao longo de pH 5-8 em incrementos de 1 unidade de pH (pH 8,0 = verde azulado, verde = pH 7,0, púrpura = pH 6,0, vermelho = pH 5,0). Um quinto CV foi utilizada para análise contra Ag / AgCl referência e os eléctrodos do contador de Pt de arame.

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Discussion

Múltiplos aspectos da concepção deste sensor microneedle baseado foram considerados antes da fabricação do dispositivo. A fim de utilizar este sensor para detecção em tempo real, o tempo de resposta do sensor deve ser baixa; neste protocolo, cada sensor testados exibiram um tempo de resposta inferior a quinze segundos. Pastas utilizadas neste protocolo foram também escolhidos por sua seletividade dentro em ambientes in vivo, que contêm biomoléculas eletroativos que podem interferir na resposta do eletrodo. Além disso para colar composição, os potenciais de operação, foram escolhidos para minimizar a influência de espécies interferentes electroactivos. Fabricação bem sucedida da matriz de microagulhas envolve a selecção de um desenho de microagulhas adequado e material de microagulhas. Estes dois aspectos vão determinar se o microagulhas pode perfurar a pele, proteger os eletrodos de danos físicos, e impede o contato eletrodo-tecido. Deve notar-se que um Ag externa / AgCl e Pt referemeléctrodos ENCE e contador foram utilizados durante as medições; utilização in vivo do presente dispositivo com seres humanos ou animais exigiria que estes eléctrodos ser incorporado dentro do dispositivo.

Cada componente do sensor baseado em microagulhas tem características que devem ser validados para garantir a funcionalidade adequada. Controlo de qualidade durante a modificação do cabo plano flexível (Figura 3 B) consiste em assegurar que a camada isolante é completamente removido da superfície dos fios de cobre estanhado após ablação por laser (Figura 3). A falta de remover a camada de isolamento a partir da superfície do fio de cobre após a ablação de laser pode provocar respostas irregulares devido a contacto eléctrico incompleta. O laser-ablacionada fita Melinex precisa de ser examinadas com um microscópio para assegurar que o diâmetro de cada abertura é consistente em que define a área de trabalho do eléctrodo. Ao aplicar pasta de carbono para os laser extirpadas cavidades fita Melinex,a pasta deve estar em conformidade com o diâmetro do orifício exacta com nenhum excesso, a fim de evitar variações de sinal devido a diferenças na área de superfície. Durante as medições cronoamperométricos com pastas de carbono modificados, o sinal deve estabilizar a um valor limite antes de corrente é gravado. Estes resultados podem variar ligeiramente devido a efeitos de mistura. Testes mecânicos das matrizes microneedle foi realizada antes da incorporação do sensor; em estudo anterior, o nosso grupo mostrou essas matrizes foram capazes de perfurar a pele de porco, que foi utilizado como um análogo para a pele humana 3 matrizes de microagulhas não deve sofrer deformação ou fractura durante. penetração na pele uma vez que estes processos pode conduzir a danos eléctrodo.

Este protocolo foi detalhado a construção de um novo dispositivo transdérmico para a monitorização electroquímica. Nós encaramos os esforços futuros envolvendo sensores com microagulhas um número ainda maior de microagulhas individualmente endereçáveis ​​e uma maior variedade de transducers. Este dispositivo foi desenhado para análise do fluido intersticial em seres humanos; uso com animais também é possível com as espécies adequadas modificações específicas ao desenho de microagulhas. Futuras direcções com esta tecnologia incluem, mas não estão limitados a monitorização de pacientes remoto, bem como o acoplamento com um dispositivo de entrega de drogas para entrega de droga de detecção automatizado.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Sandia é laboratório multiprogram operado por Sandia Corporation, uma empresa da Lockheed Martin, para o Reino demonstrados Departamento de Administração da Energia Nacional de Segurança Nuclear no âmbito do contrato DE-AC04-94AL85000. Os autores agradecem o financiamento do Laboratório Sandia National Laboratories "Direção de Pesquisa e Desenvolvimento de programa (LDRD).

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