JoVE Logo
저자
연락처

로그인

JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다. 전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.

기사 소개

  • 요약
  • 초록
  • 프로토콜
  • 토론
  • 공개
  • 감사의 말
  • 자료
  • 참고문헌
  • 재인쇄 및 허가

요약

이 문서에서는 세부 멀티 플렉스 microneedle 기반 센서의 건설. 장치는 신속하고 선택적으로 여러 analytes의 현장 샘플링과 전기 화학 분석을 위해 개발되고있다. 우리는 임상 의학을 구상하고 생명 의학 연구는 이러한 microneedle 기반의 센서를 위해 사용합니다.

초록

생물학 - 관련 분자의 신속한 분석을위한 최소한 침략적 다중 모니터링 시스템의 개발은 만성적인 신체 조건에서 그들의 즉각적인 생리적 상태의 손쉬운 평가를 겪는 개인을 제공할 수 있습니다. 또한, 그것은 복잡한 multifactorial 의료 조건의 분석을위한 연구 도구의 역할을 수 있습니다. 실현되는 등 multianalyte 센서에 대한 위해서는, 사용자에게 통증이나 손상없이 발생합니다 간질성 액체 샘플링, 최소한 침입 있어야하고, 분석은 신속한뿐만 아니라 선별해야합니다.

처음에는 통증이없는 약물 전달을 위해 개발, microneedles는 피부를 통해 백신과 pharmacologic 대리인 (예 : 인슐린)을 전달하기 위해 사용되었습니다. 1-2 이러한 장치는 중간 공간을 액세스할 수 있기 때문에, microelectrodes과 통합되어 microneedles는 transdermal로 사용할 수 전기 화학 센서. 포도당, 글루 탐 산염, 락트 산의 선택적 검출, Hydrogen의 과산화수소, 그리고 ascorbic 산성은 transducing 요소로 재직 탄소 섬유, 수정 탄소 붙여 넣습니다, 그리고 백금 코팅 폴리머 microneedles와 통합 microneedle-전극 장치를 이용하여 증명되었습니다. 3-7,8

이 microneedle 센서 기술은 여러 analytes의 현장과 동시 검출에 대한 소설과 정교한 분석 접근 방식을 사용할 수있다. 멀티플렉싱은 신속하고 최소한 침략적 방식으로 성격 달리 어려운 복잡한 microenvironments을 모니터링의 가능성을 제공합니다. 예를 들어,이 기술의 세포외 수준의 동시 모니터링 활용 수있다, 포도당, 젖산 및 산도, 9 중요한 신진 대사 질환 상태 7,10-14의 지표 (예, 암 증식) 및 운동 유발성 산증은 있습니다. 15

프로토콜

1. Microneedle 제작

  1. 입체 모델링 소프트웨어 Solidworks (다쏘 Systemes SA, Velizy, 프랑스)를 이용하여 피라미드 모양의 중공 microneedle 배열을 설계 (그림 1). 3-5
  2. Magics RP 13 소프트웨어 (Materialise NV, Leuven, 벨기에)를 사용 microneedle 배열에 대한 지원 구조를 디자인합니다. 지원 구조는 수지가 제조하는 동안 장치에서 드레인 수 있으며 microneedles이 구축되어있는 기반을 제공합니다. 예를 들어, 지원 구조는 그림 1에 표시됩니다.
  3. 연계 지원 및 microneedle 배열 파일은 제조 공정을 제어 Perfactory RP 소프트웨어 (EnvisionTEC 게엠베하, Gladbeck, 독일)에 업로드됩니다. 이 소프트웨어 패키지 내에서 가공되는 microneedle 배열의 개수를 선택하고 제조 접시 장치의 위치를​​ 결정합니다.
  4. Perfactory 신속한 PR 180 MW에서 자외선 모드에서 보정을 실행합니다ototyping 제조 시스템과 에너지의 편차를 확인은 ± 2 MW 이내입니다.
  5. 제조가 완료되면 15 분 동안 이소프로판올 년 기​​초판에서 microneedle 배열을 제거하고 개발합니다. 압축 공기가있는 배열을 건조하고 완전한 중합을 보장하기 위해 Otoflash Postcuring 시스템 (EnvisionTEC 게엠베하, Gladbeck, 독일)이 50 초 동안 실온에서 microneedles을 치료.
  6. 현미경을 통해 microneedle 제조의 유효성을 검사하고 각 microneedle 구멍이 투명하고 탁 트인 있는지 확인합니다. 완벽하게 조립 microneedles는 그림 2에 표시됩니다.

2. 탄소 붙여넣기 전극 배열의 제작

  1. 구멍을 잘라내어였다 플랫 플렉시블 케이블 (21039-0249)에서 기본 개별적으로 주소 지정 연결하는 구리선을 폭로 60 W 모델 6.75 CO 2 래스터 / 벡터 레이저 시스템 (유니버셜 레이저 시스템즈, 스코 츠 데일, AZ)를 사용 상용 소스 (모에서 얻은렉스 커넥터 공단, Lisle, IL) (그림 3 (A와 B)). 제대로 레이저 박리 접시에 그들을 정렬하기 위해 지그에 플랫 플렉시블 케이블을 놓습니다. 유연한 케이블의 절연 부분에서 500 μm의 직경 충치를 만드는 rastering 접근법을 사용하십시오. 절제를위한 패턴은 CorelDraw에서 만든 (코렐, 오타와, 온타리오)와 레이저 시스템으로 보내집니다.
  2. 40 PSI의 에어 브러쉬 그 스프레이를 아세톤으로 바뀌었 플랫 플렉시블 케이블을 제거합니다. 이소프로판올 및 탈이온수로 rinsing하여 청소 완료. 더 단열 필름 노출된 구리 스트립 위에 남아 없다는 것을 현미경으로 확인합니다.
  3. 다음 단계는 탄소 붙여 넣습 포장에 대한 들고 충치를 만드는 것입니다. Melinex 테이프는 (압력에 민감한 아크릴 접착제와 함께 단일 면에 코팅 0.002 "두께) 전극 ablated 전극 스트립여 지향 스트립, 그리고 적절한 연결을 보장하기 위해 2 분을 3,000 PSI에 압축과 같은 패턴으로 ablated 있습니다.에이 이 CASE는 캐비티 직경이 750 μm의입니다.
  4. Melinex 테이프의 추가 레이어 (0.004 "압력에 민감한 아크릴 접착제와 양면에 코팅 두께)은 이후 싱글 양면 접착 테이프와 같은 패턴으로 ablated되고 탄소 페이스트 전극 배열로 결합 microneedle 배열에 정렬 후 사용합니다 .

3. 기능성 탄소 붙여 넣습의 합성과 전극 안의 공간의 포장

  1. 포도당 민감한 탄소 페이스트는 이전의 제조법을 근거로하고 균일한 혼합물을 얻을 때까지 포도당 산화 효소와 폴리 (ethylenimine)의 2.2 밀리그램의 10 밀리그램을 혼합하여 얻어진다. 16이 혼합되어, 탄소 분말에 로듐의 60 밀리그램 (최대 5% 로딩)가 추가됩니다. 40 MG의 광유가 추가되고 이후에 혼합됩니다. 붙여 넣습가 준비 후 최대 1 주일 정도 사용되며 붙여 넣습는 ° C에서 사용할 때까지 4에 저장됩니다.
  2. 산도에 민감한 탄소 페이스트가 혼합 30% (W / W) 광유 70 % (W / W) 흑연 P에 의해 얻어진다owder. 섹션 3.4에서 설명한대로 전극 캐비티에 붙여넣 싸. 0.5 M의 인산 10 밀리미터 패스트 블루 RR diazonium 소금 (4 benzoylamino-2 ,5-dimethoxybenzenediazonium 염화 헤미 (염화 아연) 소금)의 솔루션입니다. 17 확인을위한 포장 페이스트 전극을 통해이 솔루션은 20 μl 드롭 놓으십시오 30 분 자발적 빠른 블루 홍보 diazonium 소금을 chemisorb합니다. 버퍼 또는 탈이온수 사용하지 않을에서의 탈이온수 및 매장과 린스.
  3. 락테이트 민감한 탄소 페이스트는 이전의 제조법을 근거로하고 있으며 탄소 분말과 락트 산 산화 효소 2.5 밀리그램에 로듐 2.5 밀리그램을 혼합하여 얻은 것입니다, 다섯 회전 동안 sonication 5 분, vortexing 5 분 사이에 교대. 18
  4. 준비된 플랫 플렉시블 케이블로 수정된 붙여 넣습의 포장이 전극 충치 통해 각각 붙여 넣습을 적용하여 수행됩니다. 흙손과 팩을 t으로 플라스틱의 얇은 조각을 (예, 플라스틱 무게는 보트의 가장자리) 사용매끄러운 표면을 얻을 때까지 그는 붙여 넣습니다. 과잉 붙여넣기가 제거되기 전까지 두 번째 깨끗한 무게 보트로 반복합니다. 탈이온수로 씻으십시오. 개략도 탄소 붙여 넣습 포장, 충치를 만드는 레이저 절제를 보여주는, 그리고 microneedle 통합은 (섹션 2와 3에서 설명) 그림 3에서 제공됩니다.

4. 감지 및 센서 교정

  1. 락테이트 감지 M 인산 버퍼 (산도 = 7.5). 그림 4 (가) 락트 산의 검출을위한 electrocatalytic 반응의 구조도를 포함 -0.15 V에서 센서의 chronoamperometric 응답을 측정하고 0.1에 15 초 후 전류를 기록하여 수행됩니다 .
  2. 포도당 감지 -0.05 V에서 센서의 chronoamperometric 응답을 측정하고 0.1 M 인산 완충액 (산도 7.0)에서 15 초 후 전류를 기록하여 유사한 방법으로 수행됩니다. 그림 4 (B)를위한 electrocatalytic 반응의 구조도를 포함하고 디포도당의 etection.
  3. 산도는 100 MV / s의 -0.7 V에서 0.8 V로 주기적 voltammetric 스캔을 실행하고 산화 피크 잠재력의 위치를​​ 기록하여 감시하고 있습니다. 산도 검출을위한 산화 환원 반응의 개략도는 그림 5에 표시됩니다.
  4. 포도당과 젖산 센서 보정 곡선은 각 analyte의 연속 첨가에 의해 만들 어질 수 있으며, 섹션 5.1 및 5.2에 설명된대로 chronoamperometric 측정은 각 analyte 추가 후에하게됩니다. 또는 고정 잠재 chronoamperometric 성능은 현재의 안정화에 대한 각 analyte 추가 사이에 충분한 시간을 (~ 10-1백초) 허용하는 동안 교반하에 만들 수 있습니다.
  5. 산도 교정 곡선은 1.0 산도 단위 단위로 5 ~ 8로 알려진 산도 값 일련의 이상 산화 피크 잠재력의 위치를​​ 측정하고 섹션 5.3에 설명된대로 순환의 voltammograms을 기록하여 만들 수 있습니다.

5. 대표 재sults

수정된 탄소 붙여넣으-가득한 microneedles과 정지 솔루션 chronoamperometric 커브 (예 : 포도당 감지이나 락테이트 감지)를 획득하면, 현재는 즉시 해당 검색 잠재​​력 신청에 따라 줄어 듭니다. 그것은 결국 정상 상태 값에 가옥됩니다. 대표적인 결과는 그림 6에 표시되며이 결과는 락테이트 microneedle에서 락테이트 및 녹음 2 MM 첨가로부터 얻은 것입니다. 솔루션은 간단히 각 락테이트 또한 이후 흔들해야합니다. 15초 후 현재는 젖산의 농도를 증가시 상승, 현재 응답 후 알 수없는 솔루션에 젖산의 농도를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 지속적인 모니터링이 증가 포도당 농도 (그림 5)와 솔루션을 시연으로 흔들 솔루션 (또는 흐르는 용액에서)에서 사용할 수 있습니다. 다시시 전류의 증가는 T를 증가그 포도당의 농도는 알 수없는 솔루션 포도당 응답을 표준화하는 데 사용할 수 있습니다. 충분한 시간이 솔루션은 안정 수 있도록하기 위해 각 스파이크 후에 허용하여야합니다. 0.1 M 인산 완충액의 산도에 민감한 microneedle의 순환 voltammograms는 5 그림 6에서 8 1에서 pH의 단위 증가에 대한 네 가지 산도 솔루션을 통해 표시됩니다. 증가 산도와 산화 피크 잠재력 교대는, 이러한 현상은 산도 가치의 지표로 사용됩니다.

figure-protocol-4879
그림 1. Solidworks (A) 및 지원 구조 (B)를 보여줍니다 인쇄 화면의 생성 microneedle 배열의 STL 파일의 이미지.

figure-protocol-5070
그림 2. microneedle 배열 (A)이 배열 내에 단일 microneedle (B)의 전자 micrographs를 스캔.

figure-protocol-5256
그림 3. 플랫 유연한 케이블 어셈블리의 도식. 참여 단계, 플랫 플렉시블 케이블 () 수정 (B) 패턴 동그라미를 흡열, 탄소 페이스트 (C)로 가득뿐만 아니라 두 번째 ablated Melinex 레이어를 추가하고이 교미하는 초기 ablated Melinex 레이어를 추가 포함 microneedle 어레이 (D)가. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .

figure-protocol-5661
그림 4. 0.1 M 인산 완충 (산도 = 7.5)에서 -0.15 V에서 15초 chronoamperometric 스캔과 락트 산에 민감한 페이스트의 보정. 락트 산의 2 밀리미터 외에도 현재 해당 각각 증가.

figure-protocol-5891
그림 5. 보정을 tron​​g. 0.1 M 인산 버퍼 용액 (산도 = 7.0) 보정 기간 동안 흔들되었다. 외부 자세 / AgCl과 PT 참조 및 카운터 전극이 연구에 사용되었다.

figure-protocol-6190
산도에 민감한 탄소 그림 6. 순환의 voltammogram (이력서) 1 산도 단위 증가 (물오리 = 산도 8.0, 녹색 = 산도 7.0, 보라색 = 산도 6.0, 적색 = 산도 5.0)에 산도 5-8 이상 0.1 M 인산 완충액에 붙여 넣습니다. 다섯째 이력서는 자세 / AgCl 참조 및 PT 와이어 카운터 전극 비해 분석에 사용되었다.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

토론

이 microneedle 기반 센서의 설계의 여러 측면은 장치 제조 이전으로 간주되었다. 실시간 감지 기능이 센서를 사용하기 위해서는 센서의 응답 시간은 낮은해야하며이 프로토콜에서는, 각 시험 센서 십오초 아래의 응답 시간을 전시. 이 프로토콜에서 사용되는 붙여 넣습 또한 전극 반응을 방해할 수 electroactive biomolecules를 포함하는 생체내 환경에서 내 자신의 선택도에 대한 선정되었습니다. 구...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

공개

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

감사의 말

Sandia는 미국이 계약 DE-AC04-94AL85000 하에서 에너지의 국립 핵 보안 관리학과를 명시에 대한 Sandia 공사, 록히드 마틴 사에 의해 운영 multiprogram 연구소입니다. 저자는 Sandia 국립 연구소 '연구실에서 기금을 인정하고 연구 개발 (LDRD) 프로그램을 감독.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
시약의 이름 회사 카탈로그 번호
플랫 플렉시블 케이블 Molex 3302/10SF
0.003 "사이드 양면 테이프 Melinex
0.004 "두 번 양면 테이프 Melinex
락트 산 산화 효소 시그마 L0638
포도당 산화 효소 시그마 G7141
탄소에 로듐 시그마 206,164
흑연 분말 시그마 385,031,000
폴리 (ethylenimine) Acros 178,570,010
미네랄 오일 시그마 M5904
포도당 시그마 G8270
락테이트 시그마 L1750
빠른 블루 RR 소금 시그마 F0500
E-쉘 300 EnvisionTEC
E-쉘 200 EnvisionTEC
AG / AgCl 참조 전극 Basi MF-2052
PT 와이어 Basi
PGSTAT12 AutolabPotentiostat EcoChemie
Perfactory RP EnvisionTEC
Ottoflash Postcuring 시스템 EnvisionTEC
인산 어부 A366-4
60W 모델 6.75 CO 2 래스터 / 벡터 레이저 시스템 Univer샐 레이저 시스템 PLS6.75
CorelDraw 코렐
Solidworks 다쏘 Systemes 2009
Magics RP13 Materialise

참고문헌

  1. Henry, S., McAllister, D. V., Allen, M. G., Prausnitz, M. R. Microfabricated microneedles: a novel approach to transdermal drug delivery. J. Pharm. Sci. 87, 922-925 (1998).
  2. Prausnitz, M. R. Microneedles for transdermal drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 56, 581-587 (2004).
  3. Miller, P. R., Gittard, S. D., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Xiao, X., Wheeler, D. R., Monteiro-Riviere, N. A., Brozik, S. M., Polsky, R., Narayan, R. J. Integrated carbon fiber electrodes within hollow polymer microneedles for transdermal electrochemical sensing. Biomicrofluidics. 5, 013415-013415 (2011).
  4. Windmiller, J. R., Zhou, N., Chuang, M. C., Valdés-Ramírez, G., Santhosh, P., Miller, P. R., Narayan, R., Wang, J. Microneedle array-based carbon paste amperometric sensors and biosensors. Analyst. 136, 1846-1851 (2011).
  5. Windmiller, J. R., Valdés-Ramírez, G., Zhou, N., Zhou, M., Miller, P. R., Jin, C., Brozik, S. M., Polsky, R., Katz, E., Narayan, R., Wang, J. Bicomponent microneedle array biosensor for minimally-invasive glutamate monitoring. Electroanal. 23, 2302-2309 (2011).
  6. Ricci, F., Moscone, D., Palleschi, G. Ex vivo continuous glucose monitoringwith microdalysis technique: The example of GlucoDay. IEEE Sensors J. 8, 63-70 (2008).
  7. Zimmermann, S., Fienbork, D., Flounders, A. W., Liepmann, D. In-device enzyme immobilization: Wafer-level fabrication of an integrated glucose. Sens. Actuat. B. 99, 163-173 (2004).
  8. Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Biomicrofluidics. 88, 739-742 (2012).
  9. Miller, P. R., Skoog, S. A., Edwards, T. L., Lopez, D. M., Wheeler, D. R., Arango, D. C., Xiao, X., Brozik, S. M., Wang, J., Polsky, R., Narayan, R. J. Multiplexed microneedle-based biosensor array for characterization of metabolic acidosis. Talanta. 88, 739-742 (2012).
  10. Rofstad, E. K. Microenvironment-induced cancer metastasis. Int. J. Radiat. Biol. 76, 589-605 (2000).
  11. Vander Heiden, M. G., Cantley, L. C., Thompson, C. B. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science. 324, 1029-1033 (2009).
  12. Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. The metabolism of tumors in the body. J. Gen. Physiol. 8, 519-530 (1927).
  13. The Tumour Microenvironment: Causes and Consequences of Hypoxia and Acidity. Novartis Foundation Symposium 240. Goode, J. A., Chadwick, D. J. , John Wiley & Sons, Ltd. (2008).
  14. Cardone, R. A., Casavola, V., Reshkin, S. J. The role of disturbed pH dynamics and the Na+/H+ exchanger in metastasis. Nature Rev. Cancer. 5, 786-795 (2005).
  15. Robergs, R. A., Ghiasvand, F., Parker, D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am. J. Phys. 287, R502-R516 (2004).
  16. Wang, J., Liu, J., Chen, L., Lu, F. Highly selective membrane-free, mediator-free glucose biosensor. Anal. Chem. 66, 3600-3603 (1994).
  17. Makos, M. A., Omiatek, D. M., Ewing, A. G., Heien, M. L. Development and characterization of a voltammetric carbon-fiber microelectrode pH sensor. Langmuir. 26, 10386-10391 (2010).
  18. Wang, J., Chen, Q., Pedrero, M. Highly selective biosensing of lactate at lactate oxidase containing rhodium-dispersed carbon paste electrodes. Anal. Chem. Acta. 304, 41-46 (1995).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

재인쇄 및 허가

JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기

허가 살펴보기

더 많은 기사 탐색

64 MicroneedleMicroneedlestereolit hography

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

개인 정보 보호

이용 약관

정책

연락처

사서에게 추천하기

JoVE 뉴스레터

연구

교육

저자

사서

JoVE 소개

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유