أجوف Microneedle المستندة إلى الاستشعار عن تعدد في الإرسال الاستشعار الكهروكيميائية عبر الجلد

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع مستشعر قائم على الإبر المجهرية المتعددة للمكشاف الكهروميائي عبر الجلد لمختلف الإلكتروليتات المستهدفة التي يمكن قياسها بشكل متزامن. تتمثل الخطوة الأولى في تصنيع مصفوفات من الإبر المجهرية المجوفة باستخدام الليثوغرافيا المادية وإنشاء تجاويف مصفوفة الأقطاب الكهربائية باستخدام التشغيل الدقيق بالليزر. بعد ذلك، يتم تحضير عجائن الكربون الفردية وملء تجاويف مصفوفة الأقطاب الكهربائية.

بعد ذلك، يتم معايرة كل من عجائن الكربون عبر نطاق من التركيزات ذات الصلة فسيولوجياً. وفي النهاية، يتم إنشاء جهاز كهروكيميائي عبر الجلد داخل الجسم (in vivo) قادر على قياس تحليلات متعددة في آن واحد في بيئات فسيولوجية دقيقة ومعقدة لمجموعة من التطبيقات الطبية الحيوية. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بطرقك الحالية في القدرة على إجراء استشعار متعدد (multiplex sensing) بطريقة طفيفة التوغل.

يمكن استخدام هذا الجهاز كأداة بحثية لقياس الاستجابات الطبية الحادة، وفهم التكيفات التي تحدث أثناء التمرين البدني، ومراقبة الأمراض التي تصيب الجلد. وتمتد تطبيقات مستشعر الإبر الدقيقة InVivo هذا إلى تشخيص أورام الجلد، لأن البيئات الدقيقة للأورام يمكن أن تعمل كمؤشرات على تكاثر الورم وانتشاره. وهدفنا من هذا الجهاز هو استخدام مصفوفات الإبر الدقيقة كآلية طفيفة التوغل للوصول إلى السائل الخلالي الجلدي لإجراء التحليل الكهروكيميائي.

ابدأ باستخدام برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد، SolidWorks، وصمم مصفوفة إبر دقيقة مجوفة ذات شكل متوازي السطوح. ثم باستخدام برنامج Magic's RP 13، صمم هيكل دعم يوفر قاعدة يتم بناء الإبر الدقيقة عليها. بعد ذلك، تحكم في عملية التصنيع باستخدام برنامج refactory RP.

قم بتحميل كل من ملفي الدعامة المرتبطة ومصفوفة الإبر الدقيقة. بعد ذلك، حدد عدد مصفوفات الإبر الدقيقة المراد تصنيعها، وقم بتحديد مواضع الأجهزة على لوحة التصنيع في نظام التصنيع النمذجي السريع pery. اختر وضع الأشعة فوق البنفسجية عند 100 milliwatts وقم بإجراء عملية المعايرة.

تحقق من أن الانحراف في الطاقة يقع ضمن نطاق زائد أو ناقص 2 mW. بمجرد اكتمال تصنيع مصفوفة الإبر المجهرية، قم بإزالة مصفوفة الإبر المجهرية من اللوحة القاعدية. اغمرها في الإيزوبروبانول لمدة 15 دقيقة.

بعد ذلك، جفف المصفوفات باستخدام الهواء المضغوط لضمان البلمرة الكاملة. اترك الإبر الدقيقة لتتصلب في درجة حرارة الغرفة لمدة 50 ثانية. افحص الإبر الدقيقة باستخدام المجهر الضوئي.

تحقق من أن كل تجويف في الإبر المجهرية المصنعة بالكامل أجوف وغير مسدود. اكشف عن أسلاك النحاس الموصلة القابلة للعنونة بشكل فردي الموجودة في كابل مرن ومسطح. أنشئ أنماطاً للاستئصال بالليزر وأرسل هذه الأنماط إلى نظام الليزر.

الآن، ضع الكابلات في قالب تثبيت لمحاذاتها بشكل صحيح على لوحة الاستئصال بالليزر، وباستخدام نهج الرفع، قم بإنشاء تجاويف بقطر 500 micrometer في الجزء العازل من الكابل المرن. نظف الكابلات المرنة المسطحة المعدلة باستخدام فرشاة هوائية ترش acetone بضغط 40 PSI، ثم اشطفها باستخدام isopropanol ومياه منزوعة الأيونات مع المراقبة تحت مجهر ضوئي.

تحقق من عدم بقاء أي غشاء عازل فوق شرائح النحاس المكشوفة. الخطوة التالية هي إنشاء تجويف تثبيت لمعاجين الكربون باستخدام شريط ABL melanox الذي يحتوي على مادة لاصقة أكريليكية حساسة للضغط من جهة واحدة، وذلك وفقاً للنمط المستخدم مسبقاً لشرائح الأقطاب الكهربائية. والآن، قم بتوجيه الشريط فوق شرائح الأقطاب التي تم استئصالها.

اضغط على الشريط لضمان التوصيل السليم. بعد ذلك، قم بإزالة الطبقة الواقية من شريط melin X مزدوج الوجه، وقم بمحاذاة الشريط لتمكين الترابط بين مصفوفات الإبر الدقيقة ومصفوفات قطب عجينة الكربون. اخلط 10 milligrams من glucose oxidase و 2.2 milligrams من polyethylene amine للحصول على عجينة كربون متجانسة وحساسة للجلوكوز.

بعد ذلك، أضف 60 milligrams من مسحوق الروديوم على الكربون واخلطه مع 40 milligrams من الزيت المعدني. تُحفظ العجينة عند درجة حرارة 4 °C. بالنسبة للعجينة الكربونية الحساسة لـ pH، اخلط 30% من الزيت المعدني و70% من مسحوق الجرافيت. وباستخدام قطعة رقيقة من البلاستيك كمسطرة دك، قم بتعبئة العجينة في تجويف القطب الكهربائي حتى يتم الحصول على سطح أملس.

كرر العملية باستخدام قارب وزن نظيف ثانٍ حتى تتم إزالة المعجون الزائد. ثم اغسل باستخدام الماء منزوع الأيونات. بعد ذلك، ضع قطرة بحجم 20 µL من محلول fast blue المحضر حديثاً فوق قطب المعجون المعبأ.

بعد فترة تحضين مدتها 30 دقيقة، اشطف عجينة الكربون الحساسة للاكتات بالماء منزوع الأيونات. اخلط 2.5 milligrams من مسحوق الروديوم على الكربون مع 2.5 milligrams من إنزيم أكسيداز اللاكتات. بدّل بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة خمس دقائق والرج الدوامي لمدة خمس دقائق، وذلك لخمس دورات.

باشر بتعبئة المعجون في تجويف القطب الكهربائي. وفي النهاية، اشطفه بالماء منزوع الأيونات للكشف عن اللاكتات. قم بقياس الاستجابة الكرونو-أمبيرية والبارامترية للمستشعر، وسجل التيار بعد 15 ثانية للكشف عن الجلوكوز.

قم بقياس الاستجابة الكرونو-أمبيرومترية للمستشعر لإنشاء منحنيات المعايرة لمستشعرات اللاكتات والجلوكوز على التوالي. أضف المادة التحليلية المعنية قبل قياسات الكرونو-أمبيرومتري والبارامتري. بدلاً من ذلك، قم بإجراء قياسات كرونو-أمبيرومترية وبارامترية بجهد ثابت مع التقليب.

اترك وقتاً كافياً بين كل إضافة للمادة المراد تحليلها لضمان استقرار التيار. ولمراقبة الـ pH، قم بإجراء مسوحات فولتية حلقية، وسجل قيم جهد الذروة التأكسدية؛ ثم أنشئ منحنيات معايرة للـ pH عن طريق قياس موضع جهد الذروة التأكسدية في الفولتاميتريات الحلقية المسجلة عبر سلسلة من قيم pH المعروفة. تبدأ عملية بناء مستشعر قائم على الإبر المجهرية متعدد الإشارات بتصميم مصفوفة الإبر المجهرية في برنامج SolidWorks، ثم تصميم هياكل الدعم في برنامج magic's RP 13.

تظهر الصور المجهرية الإلكترونية الماسحة هذه مصفوفة إبر دقيقة وإبرة دقيقة واحدة ضمن هذه المصفوفة. يتم إنشاء منصة الاستشعار للمستشعر القائم على الإبر الدقيقة باستخدام الاستئصال بالليزر لإنشاء مصفوفات الأقطاب الكهربائية في الكبل المرن المسطح، ثم ملء هذه المصفوفات بمعجون الكربون. كما يتم عرض تفاعلات الحفز الكهربائي للجلوكوز واللاكتات جنباً إلى جنب مع معاملات التشغيل الخاصة بالكشف.

يُظهر هذا المعايرة النموذجية للمعجون الحساس للاكتات باستخدام مسوحات كرونومترية مدتها 15 ثانية أن كل زيادة في التيار تقابل إضافة 2 millimolar من اللاكتات. يتم استخدام مسح كرونومتري مستمر واحد، بينما تتم معايرة الغلوكوز للمستشعر عن طريق إضافة تركيزات من الغلوكوز ثم السماح للتيار بالاستقرار. يوضح هذا المخطط تفاعلات الحفز الكهربائي للكشف عن الحموضة هنا، وتظهر مخططات فولتاميتري حلقية للإبرة الدقيقة الحساسة للـ pH في محلول منظم من الفوسفات بتركيز 0.1 molar عبر أربعة محاليل مختلفة تتراوح قيم الـ pH فيها من خمسة إلى ثمانية بزيادات قدرها وحدة واحدة.

بما أن جهد ذروة الأكسدة ينزاح مع زيادة قيم pH، فإن هذه الظاهرة تُستخدم كمؤشر لقيمة pH. وبمجرد إتقان العملية، يمكن تصنيع هذا الجهاز بشكل صحيح في غضون يومين. وعند محاولة تطبيق هذا الإجراء، من المهم ملاحظة أن أنواع الكربون المختلفة لن تحتفظ بانتقائيتها إذا خُلطت مع بعضها البعض.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن إضافة مسارات كربونية انتقائية إضافية إلى مصفوفة الأقطاب الكهربائية من أجل مراقبة مواد تحليلية أخرى في الجلد. ومن شأن تطوير هذا الجهاز أن يمهد الطريق للباحثين في مجال المستشعرات القابلة للارتداء لإجراء التشخيص الطبي واستكشاف أسئلة أساسية في العلوم الطبية الحيوية.