다중 Transdermal 전기 감지를위한 빈 Microneedle 기반 센서

본 실험의 전체적인 목적은 동시에 측정 가능한 다양한 표적 분석물의 경피 전기화학적 검출을 위한 멀티플렉스 마이크로니들 기반 센서를 제작하는 것입니다. 첫 번째 단계는 희생층 리소그래피(sacrificial lithography)를 사용하여 중공 마이크로니들 어레이를 제작하고, 레이저 미세 가공을 통해 전극 어레이 공동(cavity)을 형성하는 것입니다. 그 후, 각각의 카본 페이스트를 준비하여 전극 어레이 공동을 채웁니다.

다음으로, 생리학적으로 유의미한 농도 범위에서 각 카본 페이스트를 교정합니다. 최종적으로, 다양한 생의학적 응용 분야를 위해 복잡한 생리적 미세환경 내에서 여러 분석물을 동시에 측정할 수 있는 경피적 인비보(in vivo) 전기화학 장치가 제작됩니다. 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 최소 침습적인 방식으로 다중 센싱을 수행할 수 있다는 점입니다.

이 장치는 급성 의료 반응을 측정하고, 신체 운동 중의 적응 과정을 이해하며, 피부에 영향을 미치는 질환을 모니터링하기 위한 연구 도구로 활용될 수 있습니다. 이 InVivo 마이크로니들 센서의 활용 범위는 피부 종양 진단까지 확장되는데, 이는 종양 미세환경이 종양의 증식 및 전이의 지표가 될 수 있기 때문입니다. 본 장치의 목표는 마이크로니들 어레이를 최소 침습적 메커니즘으로 사용하여 진피 간질액에 접근함으로써 전기화학적 분석을 수행하는 것입니다.

3차원 모델링 소프트웨어인 SolidWorks에서 시작하여 피라미드 모양의 중공 마이크로니들 어레이를 설계합니다. 그런 다음 Magic's RP 13 소프트웨어를 사용하여 마이크로니들이 제작될 기반을 제공하는 지지 구조물을 설계합니다. 다음으로, refactory RP 소프트웨어를 사용하여 제작 공정을 제어합니다.

연결된 서포트 파일과 마이크로니들 어레이 파일을 모두 업로드하십시오. 그런 다음 제작할 마이크로니들 어레이의 개수를 선택하고, pery 신속 프로토타이핑 제조 시스템 내 제작 플레이트 위의 장치 배치 위치를 결정하십시오. 100 milliwatts의 자외선 모드를 선택하고 캘리브레이션 절차를 수행하십시오.

에너지 편차가 ±2 mW 이내인지 확인하십시오. 마이크로니들 어레이 제작이 완료되면, 베이스 플레이트에서 마이크로니들 어레이를 제거하십시오. 이소프로판올로 15분 동안 현상하십시오.

그 다음, 완전한 중합을 위해 압축 공기로 어레이를 건조합니다. 마이크로니들을 상온에서 50초 동안 경화시킵니다. 광학 현미경을 통해 마이크로니들을 관찰합니다.

완전히 제작된 각 마이크로니들 보어가 중공형이며 막혀 있지 않은지 확인합니다. 평평하고 유연한 케이블 내의 개별 주소 지정이 가능한 연결 구리선들을 노출시킵니다. 레이저 어블레이션을 위한 패턴을 생성하고, 이 패턴들을 레이저 시스템으로 전송합니다.

이제 레이저 어블레이션 플레이트 위에서 케이블이 적절히 정렬되도록 지그에 배치하고, 레이징 방식을 통해 유연한 케이블의 절연 부분에 직경 500 µm의 공동(cavity)을 생성합니다. 아세톤을 분사하는 에어브러시를 사용하여 수정된 연성 평면 케이블을 세척합니다. 이때 압력은 40 PSI로 설정하며, 이후 저배율 현미경을 통해 확인하면서 이소프로판올과 탈이온수로 헹굽니다.

노출된 구리 스트립 위에 절연 필름이 남아 있지 않은지 확인합니다. 다음 단계는 전극 스트립에 이전에 사용한 패턴으로 단면 압력 민감성 아크릴 접착제가 포함된 ABL melanox tape를 사용하여 카본 페이스트를 위한 고정 캐비티를 만드는 것입니다. 이제 테이프를 어블레이션 처리된 전극 스트립 위에 맞추어 배치합니다.

테이프를 눌러 적절하게 연결되었는지 확인합니다. 그런 다음 양면 Melin X 테이프를 부착하고, 마이크로니들 어레이와 카본 페이스트 전극 어레이 사이의 결합이 가능하도록 테이프의 위치를 맞춥니다. 10 mg의 glucose oxidase와 2.2 mg의 polyethylene amine을 섞어 균질한 글루코스 감응성 카본 페이스트를 만듭니다.

그 후, 60 mg의 rhodium on carbon 분말을 첨가하고 40 mg의 mineral oil과 섞습니다. 이 페이스트를 4 °C에서 보관하십시오. pH 민감성 carbon paste의 경우, 30%의 mineral oil과 70%의 graphite 분말을 혼합합니다. 얇은 플라스틱 조각을 주걱처럼 사용하여, 표면이 매끄러워질 때까지 전극 공동에 페이스트를 채웁니다.

과잉 페이스트가 제거될 때까지 두 번째 깨끗한 웨잉 보트로 반복합니다. 그런 다음 탈이온수로 세척합니다. 다음으로, 갓 제조한 fast blue 용액 20 µL 한 방울을 충전된 페이스트 전극 위에 떨어뜨립니다.

30분간의 배양 기간 후, 젖산 민감성 탄소 페이스트를 탈이온수로 헹굽니다. 2.5 mg의 탄소 지지 로듐 분말과 2.5 mg의 젖산 산화효소를 혼합합니다. 5분간의 초음파 처리와 5분간의 볼텍싱을 5회 반복합니다.

페이스트를 전극 공동(cavity)에 채웁니다. 마지막으로, 젖산(lactate)을 검출하기 위해 탈이온수로 헹굽니다. 센서의 크로노 및 파라메트릭 응답을 측정하고, 포도당(glucose) 검출을 위해 15초 후의 전류를 기록합니다.

젖산 및 포도당 센서의 검량선을 순차적으로 작성하기 위해 센서의 크로노암페로메트릭(chronoamperometric) 응답을 측정하십시오. 크로노암페로메트릭 및 파라메트릭 측정 전에 각각의 분석물을 첨가하십시오. 또는 교반하면서 고정 전위 크로노암페로메트릭 및 파라메트릭 측정을 수행하십시오.

전류가 안정화될 수 있도록 각 분석물을 첨가하는 사이에 충분한 시간을 둡니다. pH를 모니터링하려면 순환 전압전류법 스캔을 수행하고 산화 피크 전위 값의 위치를 기록하며, 알려진 일련의 pH 값에서 기록된 순환 전압전류도 상의 산화 피크 전위 위치를 측정하여 pH 검정 곡선을 생성합니다. 다중 분석 마이크로니들 기반 센서를 제작하는 과정은 SolidWorks에서 마이크로니들 어레이를 설계한 다음, magic's RP 13에서 지지 구조물을 설계하는 것으로 시작합니다.

이 주사 전자 현미경 사진들은 마이크로니들 어레이와 해당 어레이 내의 단일 마이크로니들을 보여줍니다. 마이크로니들 기반 센서의 감지 플랫폼은 레이저 어블레이션을 사용하여 평평하고 유연한 케이블에 전극 어레이를 제작한 후, 이 어레이를 카본 페이스트로 채워 생성됩니다. 포도당과 젖산의 전기 촉매 반응이 검출을 위한 작동 파라미터와 함께 제시되어 있습니다.

15초 간격의 크로노메트릭 스캔을 이용한 젖산 민감성 페이스트의 전형적인 검정 곡선은 젖산 2mM 첨가 시마다 전류가 증가하는 것을 보여줍니다. 단일 연속 크로노메트릭 스캔이 사용되며, 센서의 포도당 검정 모니터링은 포도당 농도를 스파이킹한 후 전류가 안정화될 때까지 기다려 수행합니다. 이 도식은 산도 검출을 위한 전기 촉매 반응을 보여주며, 0.1 M 인산염 완충액 내 pH 민감성 마이크로니들에서 pH 값이 5에서 8까지 1단위 간격으로 서로 다른 네 가지 용액에 대해 측정된 순환 전압-전류 곡선이 나타나 있습니다.

산화 피크 전위가 pH 값의 증가에 따라 이동하므로, 이러한 현상은 pH 값의 지표로 사용됩니다. 숙련되면 이 장치를 이틀 만에 적절하게 제작할 수 있습니다. 이 절차를 시도할 때, 다양한 탄소 페이스트를 서로 혼합하면 선택성을 유지할 수 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

이 절차에 따라, 피부 내의 다른 분석물을 모니터링하기 위해 전극 어레이에 추가적인 선택적 탄소 페이스트를 더할 수 있습니다. 이 장치의 개발은 웨어러블 센서 분야의 연구자들이 의료 진단을 수행하고 기초 생의학 과학 질문을 탐구하는 길을 열어줄 수 있습니다.