多重経皮電気化学センシングのための中空マイクロニードルベースの​​センサ

この手順の全体的な目的は、同時に測定可能なさまざまな標的電解質を経皮電気化学的に検出するための、マルチプレックスマイクロニードルベースのセンサーを製作することです。まず、犠牲層リソグラフィを用いて中空マイクロニードルアレイを製作し、レーザー微細加工を用いて電極アレイキャビティを作成します。次に、個々のカーボンペーストを調製し、電極アレイキャビティに充填します。

次に、生理学的に関連のある濃度範囲で、各カーボンペーストの校正を行います。最終的に、さまざまな生物医学的応用のために、複雑な生理学的微小環境において複数の分析物を同時に測定できる経皮的in vivo電気化学デバイスが作製されます。既存の手法に対するこの技術の主な利点は、低侵襲な方法でマルチプレックスセンシングを実行できることです。

このデバイスは、急性の医学的反応の測定、身体的運動中の適応の理解、および皮膚に影響を及ぼす疾患のモニタリングのための研究ツールとして活用できます。このInVivoマイクロニードルセンサーの応用範囲は皮膚腫瘍の診断にまで及びます。これは、腫瘍微小環境が腫瘍の増殖および転移の指標となり得るためです。本デバイスの目的は、マイクロニードルアレイを低侵襲なメカニズムとして用い、電気化学分析のために真皮間質液にアクセスすることです。

まず、3次元モデリングソフトウェアであるSolidWorksを用いて、円錐台形の中空マイクロニードルアレイを設計します。次に、Magic's RP 13ソフトウェアを使用し、マイクロニードルを構築するための土台となるサポート構造を設計します。その後、refactory RPソフトウェアを用いて作製プロセスを制御します。

リンクされたサポートファイルとマイクロニードルアレイファイルの両方をアップロードします。次に、作製するマイクロニードルアレイの数を選択し、peryラピッドプロトタイピング製造システムにおける作製プレート上のデバイス配置を決定します。紫外線モードを100 milliwattsに設定し、キャリブレーション手順を実行します。

エネルギーの偏差が±2 mWの範囲内であることを確認します。マイクロニードルアレイの作製が完了したら、ベースプレートからマイクロニードルアレイを取り出します。イソプロパノールで15分間現像します。

次に、圧縮空気でアレイを乾燥させ、完全に重合させます。マイクロニードルを室温で50秒間硬化させます。光学顕微鏡を用いてマイクロニードルを観察します。

完全に作製された各マイクロニードルのボアが中空であり、閉塞していないことを確認します。フラットフレキシブルケーブル内の、個別にアドレス指定可能な接続銅線を露出させます。レーザーアブレーション用のパターンを作成し、これらのパターンをレーザーシステムに送信します。

次に、ケーブルをジグに配置してレーザーアブレーションプレート上に適切に整列させ、昇降アプローチを用いて、フレキシブルケーブルの絶縁部分に直径500 µmのキャビティを作成します。アセトンを噴霧するエアブラシを用いて、加工したフラットフレキシブルケーブルを洗浄します。圧力40 PSIで洗浄した後、光学顕微鏡下でイソプロパノールと脱イオン水を用いてすすぎます。

露出した銅ストリップの上に絶縁膜が残っていないことを確認します。次のステップは、電極ストリップに使用したパターンで、片面に感圧性アクリル粘着剤を含むカーボンペースト用ABL melanox tapeを用いて、保持キャビティを作成することです。次に、アブレーション処理を施した電極ストリップの上にテープを配置します。

テープを圧縮して、適切に接続されていることを確認します。次に、両面Melinexテープをアブレーションし、マイクロニードルアレイとカーボンペースト電極アレイの間で接合ができるようにテープの位置を合わせます。10 mgのグルコースオキシダーゼと2.2 mgのポリエチレンアミンを混合し、均一なグルコース感受性カーボンペーストを作成します。

次に、60 milligramsのロジウムカーボン粉末を加え、40 milligramsのミネラルオイルと混合します。pH感受性カーボンペーストの場合、このペーストを4 °Cで保存してください。30%のミネラルオイルと70%のグラファイト粉末を混合します。薄いプラスチック片をコテとして使用し、表面が滑らかになるまで電極キャビティにペーストを充填します。

余分なペーストが取り除かれるまで、2枚目の清潔なウェイイングボートを用いて同様の操作を繰り返します。その後、脱イオン水で洗浄します。次に、調製したばかりのfast blue溶液を20 µL、パッキングされたペースト電極の上に滴下します。

30分間のインキュベーション後、乳酸感受性カーボンペーストを脱イオン水で洗浄します。2.5 mgのカーボン担持ロジウム粉末と2.5 mgの乳酸オキシダーゼを混合します。5分間の超音波処理と5分間のボルテックスミキシングを5回交互に繰り返します。

ペーストを電極キャビティに充填します。最後に、乳酸を検出するために脱イオン水で洗浄します。センサーのクロノおよびパラメトリック応答を測定し、グルコース検出のための15秒後の電流値を記録します。

乳酸センサーおよびグルコースセンサーの校正曲線を順次作成するため、センサーのクロノアンペロメトリック応答を測定します。クロノおよびパラメトリック測定の前に、それぞれの分析物を添加してください。あるいは、攪拌しながら固定電位でのクロノおよびパラメトリック測定を行います。

電流を安定させるため、各分析物の添加の間には十分な時間を置いてください。pHをモニタリングするには、サイクリックボルタンメトリーによるスキャンを行い、酸化ピーク電位の値を記録します。既知のpH値の一連の条件下で、記録されたサイクリックボルタモグラムにおける酸化ピーク電位の位置を測定し、pH校正曲線を作成します。マルチプレックス・マイクロニードルベースセンサーの作製プロセスは、まずSolidWorksでマイクロニードルアレイを設計し、次にMagic's RP 13で支持構造を設計することから始まります。

これらの走査電子顕微鏡写真は、マイクロニードルアレイと、そのアレイ内の単一のマイクロニードルを示しています。マイクロニードルベースのセンサーのセンシングプラットフォームは、レーザーアブレーションを用いて平坦で柔軟なケーブルに電極アレイを作成し、その後、これらのアレイをカーボンペーストで充填することによって作製されています。グルコースおよび乳酸の電極触媒反応と、検出のための動作パラメータが併せて提示されています。

乳酸感応性ペーストのこの典型的なキャリブレーションでは、15秒間のクロノメトリック・スキャンにより、乳酸を2 mMずつ添加するごとに電流が増加していることがわかります。単一の連続的なクロノメトリック・スキャンを用い、センサーのグルコース・キャリブレーションのモニタリングは、グルコースを濃度別にスパイク的に添加し、電流を安定させることで行われます。この概略図は、酸度検出のための電触媒反応を示しており、0.1 M リン酸緩衝液中におけるpH感応性マイクロニードルのサイクリックボルタモグラムを、pH 5から8まで1ユニット刻みの4種類の異なる溶液について示しています。

酸化ピーク電位がpH値の上昇に伴ってシフトすることから、この現象をpH値の指標として利用します。習得すれば、このデバイスは2日間で適切に作製することが可能です。本手順を行う際は、さまざまなカーボンペーストを互いに混合すると選択性が保持されないことに留意することが重要です。

本手順に従い、皮膚中の他の分析物をモニタリングするために、電極アレイにさらなる選択的カーボンペーストを追加することが可能です。本デバイスの開発は、ウェアラブルセンサー分野の研究者が医学的診断を行い、基礎的な生物医学的課題を追究するための道を切り開く可能性があります。