Hollow Microneedle basado en sensores para la detección electroquímica multiplexado transdérmica

Resumen

Este artículo detalla la construcción de un multiplexado basado en el sensor de microagujas. El dispositivo está siendo desarrollado para el muestreo in situ y el análisis electroquímico de múltiples analitos en una manera rápida y selectiva. Tenemos la visión de la medicina clínica y la investigación biomédica utiliza para estos sensores de microagujas basadas en.

Resumen

El desarrollo de un sistema de monitorización mínimamente invasiva multiplexado para el análisis rápido de las moléculas biológicamente relevantes podrían ofrecer a las personas que sufren de condiciones médicas crónicas evaluación fácil de su estado fisiológico inmediato. Además, podría servir como una herramienta de investigación para el análisis de las condiciones médicas complejas, multifactoriales. A fin de que dicho sensor multianalítico a ser realizado, debe ser mínimamente invasiva, el muestreo de líquido intersticial debe ocurrir sin dolor o daño para el usuario, y el análisis debe ser rápido, así como selectiva.

Inicialmente desarrollado para el dolor sin la administración de fármacos, microagujas han sido utilizados para entregar vacunas y agentes farmacológicos (por ejemplo, insulina) a través de la piel. ^1-2 Puesto que estos dispositivos acceder al espacio intersticial, microagujas que se integran con microelectrodos se puede utilizar como transdérmica electroquímicas sensores. Detección selectiva de la glucosa, glutamato, lactato, hácido peróxido ydrogen, y ascórbico se ha demostrado utilizando electrodos integrados microaguja-dispositivos con fibras de carbono, modificados pastas de carbono, y revestidos de platino-microagujas polímeros que sirven como elementos de transducción. ^3-7,8

Esta tecnología de sensores de microagujas ha permitido un enfoque novedoso y de análisis sofisticado para la detección in situ y simultánea de múltiples analitos. Multiplexación ofrece la posibilidad de monitorear microambientes complejos, que son de otra manera difícil de caracterizar de una manera rápida y mínimamente invasiva. Por ejemplo, esta tecnología podría ser utilizada para el control simultáneo de los niveles extracelulares de, glucosa, lactato y pH ^9, que son importantes indicadores metabólicos de estados de enfermedad ^7,10-14 (por ejemplo, cáncer de proliferación) y acidosis inducida por el ejercicio. ¹⁵

Protocolo

1. Fabricación Microneedle

1. Uso de modelado tridimensional software de SolidWorks (Dassault Systèmes SA, Vélizy, Francia), el diseño de una matriz de forma piramidal de microagujas huecas (Figura 1) ^3-5.
2. Diseñar una estructura de apoyo para la matriz de microagujas con Magics RP 13 software (Materialise NV, Lovaina, Bélgica). La estructura de soporte permite que la resina para drenar desde el dispositivo durante la fabricación y proporciona una base sobre la cual las microagujas están construidos. Una estructura de soporte ejemplo se muestra en la Figura 1.
3. El apoyo vinculados y archivos de la matriz de microagujas se cargan en el software Perfactory RP (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Alemania), que controla el proceso de fabricación. Dentro de este paquete de software, seleccione el número de matrices de microagujas que se fabrican y determinar la colocación de dispositivos en la placa de fabricación.
4. Ejecute la calibración en el modo de ultravioleta a 180 mW para el pr Perfactory rápidasistema de ototyping de fabricación y verificar la desviación de la energía es de ± 2 mW.
5. Una vez que la fabricación, retire las matrices de microagujas de la placa base y desarrollar en isopropanol durante 15 minutos. Seque las matrices con aire comprimido y curar las microagujas a temperatura ambiente durante 50 segundos en el Sistema de Otoflash postvulcanizado (EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Alemania) para asegurar la polimerización completa.
6. Validar la fabricación de microagujas a través de microscopía y verifique que cada agujero de microagujas es hueco y sin obstrucciones. Microagujas totalmente fabricados se muestra en la Figura 2.

2. Fabricación de Matrices electrodo de pasta de carbono

1. Utilizar un 60 Modelo W 6,75 CO ₂ de trama / vector de sistema láser (Universal Laser Systems, Inc., Phoenix, AZ) para cortar agujeros y exponer los subyacentes individualmente direccionables que conectan los cables de cobre en un cable plano flexible (21.039-0.249), que fue obtenida de una fuente comercial (MoLex conector Corp., Lisle, IL) (Figura 3 (A y B)). Coloque los cables flexibles planas en una plantilla para alinear apropiadamente en la placa de ablación con láser. Utilizar un enfoque de barrido para crear cavidades 500 m de diámetro en la porción aislante del cable flexible. Patrones para la ablación se crean en CorelDraw (Corel, Ottawa, Ontario) y se envía al sistema de láser.
2. Limpie los cables flexibles planos modificados con un aerógrafo que la acetona aerosoles a 40 psi. Terminar la limpieza ellos por aclarado con agua desionizada y el isopropanol. Compruebe bajo un microscopio que ninguna película aislante permanece sobre las tiras de cobre expuestas.
3. El siguiente paso es crear una cavidad sujeción para el envasado de pastas de carbono. Cinta Melinex (0,002 "de espesor recubierta por una sola cara con adhesivo acrílico sensible a la presión) se realiza la ablación con el mismo patrón que las tiras de los electrodos, orientados sobre las tiras de electrodos ablacionadas y comprimidos a 3000 psi durante 2 minutos para asegurar una conexión adecuada. En esta case, el diámetro de la cavidad es de 750 micras.
4. Una capa adicional de cinta Melinex (0,004 "de espesor recubierta por dos lados con adhesivo acrílico sensible a la presión) posteriormente se realiza la ablación en el mismo patrón que la cinta adhesiva de una sola cara y se utiliza después de la alineación para unir las matrices de microagujas a las matrices de electrodos de carbono pasta .

3. Síntesis de las pastas de carbono funcionales y embalaje de la caries de electrodos

1. La pasta de glucosa carbono sensible se basa fuera de una receta anterior y se obtiene mezclando 10 mg de glucosa oxidasa y 2,2 mg de poli (etilenimina) hasta obtener una mezcla homogénea. ¹⁶ A esta mezcla, 60 mg de rodio sobre carbón en polvo ( 5% de carga), se añade. 40 mg de aceite mineral se añade y se mezcla posteriormente. Las pastas se almacenan a 4 ° C hasta su uso; las pastas se utilizan hasta una semana después de la preparación.
2. La pasta de pH sensible carbono se obtiene por mezcla de aceite mineral al 30% (w / w) y 70% (w / w), grafito powder. Paquete de pegar en la cavidad del electrodo, como se describe en la sección 3.4. Hacer solución de 10 mM de sal Fast Blue RR diazonio (4-benzoilamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium cloruro hemi (cloruro de zinc) sal) en 0,5 M de ácido fosfórico. ^17, Coloque una caída de 20 l de esta solución sobre el electrodo de pasta de envasado para 30 minutos para chemisorb espontáneamente el Fast Blue sal de diazonio de relaciones públicas. Enjuagar con agua desionizada y tienda en tampón o agua desionizada cuando no esté en uso.
3. La pasta de lactato de carbono sensible se basa fuera de una receta anterior y se obtiene mezclando 2,5 mg de rodio sobre carbono en polvo y 2,5 mg de lactato oxidasa, alternando entre 5 minutos de sonicación y 5 minutos de agitación durante cinco rotaciones. ¹⁸
4. Embalaje de las pastas modificados en el preparado del cable plano flexible se logra mediante la aplicación de las pastas respectivos sobre las cavidades de los electrodos. Usando una fina pieza de plástico (por ejemplo, un borde de un plástico pesan barco) como una paleta y t paqueteél pega hasta una superficie lisa se logra. Repita el proceso con un segundo barco limpio de pesaje hasta que la pasta se elimina el exceso. Lavar con agua desionizada. Un esquema que muestra la ablación con láser para crear cavidades, envasado de pastas de carbono, y la integración microaguja (descrito en la sección 2 y 3) se presenta en la Figura 3.

4. La detección y la calibración del sensor

1. Detección de lactato se logra mediante la medición de la respuesta del sensor chronoamperometric a -0,15 V y grabación de la corriente después de 15 segundos en 0,1 M de tampón fosfato (pH = 7,5). Figura 4 (a) contiene un esquema de la reacción electrocatalítica para la detección de lactato .
2. Detección de glucosa se ​​realiza de una manera similar mediante la medición de la respuesta del sensor chronoamperometric a -0,05 V y grabación de la corriente después de 15 segundos en tampón fosfato 0,1 M (pH 7,0). Figura 4 (b) contiene un esquema de la reacción electrocatalítica para detection de glucosa.
3. pH se controla mediante la ejecución cíclicos exploraciones voltamétricos desde -0,7 V a 0,8 V a 100 mV / s, y registrar la posición del pico de potencial oxidativo. Un esquema de las reacciones redox para la detección del pH se muestra en la Figura 5.
4. Las curvas de calibración para la glucosa y lactato sensores pueden ser creados por adiciones sucesivas de la analito respectivo; mediciones chronoamperometric se realiza después de cada adición analito como se describe en las secciones 5.1 y 5.2. Por otra parte, las mediciones fijas chronoamperometric potenciales se pueden hacer con agitación al tiempo que permite un tiempo suficiente (aproximadamente 10-100 segundos) entre cada adición analito para la estabilización actual.
5. Las curvas de calibración de pH puede ser creada mediante la medición de la posición del pico de potencial oxidativo durante una serie de valores de pH conocidos de 5 a 8 en incrementos de 1,0 unidad de pH y registrar voltamogramas cíclicos como se describe en la sección 5.3.

5. Representante Reresultados

Al obtener curvas chronoamperometric (por ejemplo, para la detección de glucosa o la detección de lactato) en soluciones quiescentes con carbono modificada pega-llenos microagujas, la corriente disminuirán inmediatamente tras la aplicación del potencial de detección respectivo. Con el tiempo se reduzca a un valor de estado estacionario. Un resultado representativo se muestra en la Figura 6; este resultado se obtuvo a partir de 2 adiciones mM de lactato y de grabación a la microaguja lactato. La solución debe ser brevemente agitó después de cada adición de lactato. La corriente después de 15 segundos se eleva al aumentar la concentración de lactato; la respuesta de corriente puede ser utilizado para determinar la concentración de lactato en una solución desconocida. Alternativamente, la vigilancia continua puede ser utilizada en una solución agitada (o en una solución que fluye) como se demuestra por una solución con una concentración de glucosa en aumento (Figura 5). De nuevo, el aumento en la corriente al aumentar tque la concentración de glucosa puede ser utilizada para normalizar la respuesta de la glucosa a una solución desconocida. Tiempo suficiente se debe permitir que después de cada espiga con el fin de permitir que la solución se estabilice. Voltamogramas cíclicos en la microaguja sensible al pH en tampón fosfato 0,1 M se muestran más de cuatro soluciones diferentes de pH de 5 a 8 en incrementos de 1 unidad de pH en la Figura 6. Los cambios oxidativos pico potenciales con el aumento del pH; este fenómeno se utiliza como un indicador del valor del pH.

Figura 1. Imágenes del archivo STL de la matriz de microagujas creado en Solidworks (A) y de la pantalla de impresión, que muestra la estructura de soporte (B).

Figura 2. Micrografías electrónicas de barrido de la matriz de microagujas (A) y una microaguja único dentro de esta matriz (B).

Figura 3. Esquema de montaje de cable plano flexible. Los pasos implicados incluyen la modificación del cable plano flexible (A), la ablación de los círculos estampados (B), añadiendo el inicialmente ablated capa Melinex, que está lleno con carbón pasta (C), así como la adición de la segunda capa ablacionada Melinex y acoplar el matriz de microagujas (D). Haga clic aquí para ver más grande la figura .

Figura 4. Calibración de lactato-sensible pasta con 15 exploraciones segundo chronoamperometric a -0,15 V en 0,1 M de tampón fosfato (pH = 7,5). Cada aumento de la corriente corresponde a una adición de 2 mM de lactato.

Figura 5. de pasta sensible a la glucosa ejecutando exploraciones chronoamperometric a -0,05 V. Cada disminución de la respuesta corresponde a una adición de 2 mM de glucosa. El 0,1 M de fosfato solución tampón (pH = 7,0) se agitó durante la calibración. Externa de Ag / AgCl y Pt referencia y electrodos de contador se utilizaron en este estudio.

Figura 6. Voltamograma cíclico (CV) de carbono, sensible al pH pega en tampón fosfato 0,1 M pH durante 5-8 en incrementos de 1 unidad de pH (pH 8,0 = verde azulado, verde = pH 7,0, púrpura = pH 6,0, rojo = pH 5,0). Un CV quinto se usó para el análisis en comparación con referencia Ag / AgCl y electrodos de Pt de alambre de venta libre.

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Discusión

Múltiples aspectos del diseño de este sensor de microagujas basado fueron considerados antes de la fabricación del dispositivo. Para poder utilizar este sensor de detección en tiempo real, el tiempo de respuesta del sensor debe ser baja, en este protocolo, cada sensor de prueba mostraron un tiempo de respuesta por debajo de quince segundos. Las pastas se utilizan en este protocolo fueron elegidos también por su selectividad en vivo en ambientes que contienen biomoléculas electroactivos que pueden interfer...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nombre del reactivo	Empresa	Número de catálogo
Cable plano flexible	Molex	3302/10SF
0.003 "Side cinta adhesiva	Melinex
0.004 "cinta de doble cara	Melinex
Lactato oxidasa	Sigma	L0638
La glucosa oxidasa	Sigma	G7141
Rodio sobre carbono	Sigma	206164
El polvo de grafito	Sigma	385031000
poli (etilenimina)	Acros	178570010
Aceite mineral	Sigma	M5904
Glucosa	Sigma	G8270
Lactato	Sigma	L1750
Fast Blue RR sal	Sigma	F0500
e-Shell 300	EnvisionTEC
e-Shell 200	EnvisionTEC
Ag / AgCl electrodo de referencia	Basi	MF-2052
Pt de alambre	Basi
PGSTAT12 AutolabPotentiostat	EcoChemie
Perfactory RP	EnvisionTEC
Ottoflash postvulcanizado sistema de	EnvisionTEC
El ácido fosfórico	Pescador	A366-4
60W Modelo 6.75 de CO 2 raster / vector de sistema láser	UniversidadSal Laser Systems	PLS6.75
CorelDraw	Corel
Solidworks	Dassault Systemes	2009
Magics RP13	Materialise