Hollow microneedle-baserte Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing
Summary
Denne artikkelen detaljer bygging av en multiplekset microneedle-baserte sensor. Enheten er utviklet for in situ prøvetaking og elektrokjemisk analyse av flere analytter i en rask og selektiv måte. Vi ser for klinisk medisin og biomedisinsk forskning bruker for disse microneedle-baserte sensorer.
Abstract
Utviklingen av en minimalt invasiv multiplekset overvåkingssystem for rask analyse av biologisk relevante molekyler kunne tilby personer som lider av kroniske medisinske tilstander lettvinte vurdering av deres umiddelbare fysiologiske tilstand. Videre kan det tjene som et analyseverktøy for analyse av komplekse, multifaktorielle sykdommer. For et slikt multianalyte sensor skal realiseres, må det være minimalt invasiv, prøvetaking av interstitiell væske må skje uten smerte eller skade på brukeren, og analyse må være rask, så vel som selektiv.
Opprinnelig utviklet for smerte-fri levering av legemidler, har microneedles blitt brukt til å levere vaksiner og farmakologiske stoffer (f.eks insulin) gjennom huden. 1-2 Siden disse enhetene tilgang til interstitiell plass, kan microneedles som er integrert med microelectrodes brukes som transdermal elektrokjemiske sensorer. Selektiv påvisning av glukose, glutamat, laktat, hydrogen peroxide, og askorbinsyre har blitt demonstrert ved hjelp av integrerte microneedle-elektrode enheter med karbonfibre, modifiserte karbon pastaer, og platina-belagte polymer microneedles tjenestegjør som transducing elementer. 3-7,8
Dette microneedle sensorteknologi har aktivert en roman og sofistikert analytisk tilnærming for in situ og samtidig påvisning av flere analytter. Multiplexing tilbyr muligheten for å overvåke komplekse microenvironments, som ellers er vanskelig å karakterisere på en rask og minimalt invasiv måte. For eksempel kan denne teknologien brukes for samtidig overvåking av ekstracellulære nivåer av, glukose, laktat og pH, 9 som er viktige metabolske indikatorer på sykdom stater 7,10-14 (f.eks kreft spredning) og anstrengelsesutløst acidose. 15
Protocol
Discussion
Flere aspekter ved utformingen av dette microneedle-baserte sensor ble vurdert før enheten fabrikasjon. For å bruke denne sensoren for sporing i sanntid, må responstiden på sensoren være lav, i denne protokollen, hver testet sensor viste en responstid under femten sekunder. Pastaer som brukes i denne protokollen ble også valgt for sin selektivitet innenfor in vivo miljøer, som inneholder electroactive biomolekyler som kan forstyrre elektrode respons. I tillegg til å lime sammensetning, ble de opererer p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sandia er multiprogram laboratorium som drives av Sandia Corporation, en Lockheed Martin Company, for United Stated Department of Energys National Nuclear Security Administration under kontrakt DE-AC04-94AL85000. Forfatterne erkjenner midler fra Sandia National Laboratories 'Laboratory Regi Research & Development (LDRD) program.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number |
| Flat flexible cable | Molex | 3302/10SF |
| 0.003″ Side sided tape | Melinex | |
| 0.004″ Double sided tape | Melinex | |
| Lactate oxidase | Sigma | L0638 |
| Glucose oxidase | Sigma | G7141 |
| Rhodium on carbon | Sigma | 206164 |
| Graphite powder | Sigma | 385031000 |
| poly(ethylenimine) | Acros | 178570010 |
| Mineral oil | Sigma | M5904 |
| Glucose | Sigma | G8270 |
| Lactate | Sigma | L1750 |
| Fast Blue RR salt | Sigma | F0500 |
| e-Shell 300 | EnvisionTEC | |
| e-Shell 200 | EnvisionTEC | |
| Ag/AgCl reference electrode | Basi | MF-2052 |
| Pt wire | Basi | |
| PGSTAT12 AutolabPotentiostat | EcoChemie | |
| Perfactory RP | EnvisionTEC | |
| Ottoflash Postcuring system | EnvisionTEC | |
| Phosphoric acid | Fisher | A366-4 |
| 60W Model 6.75 CO2 raster/vector laser system | Universal Laser Systems | PLS6.75 |
| CorelDraw | Corel | |
| Solidworks | Dassault Systemes | 2009 |
| Magics RP13 | Materialise |
References
- 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).
- Prausnitz, M. R. Microneedles for transdermal drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 56, 581-587 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ricci, F., Moscone, D., Palleschi, G. Ex vivo continuous glucose monitoringwith microdalysis technique: The example of GlucoDay. IEEE Sensors J. 8, 63-70 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rofstad, E. K. Microenvironment-induced cancer metastasis. Int. J. Radiat. Biol. 76, 589-605 (2000).
- 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).
- Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. The metabolism of tumors in the body. J. Gen. Physiol. 8, 519-530 (1927).
- Goode, J. A., Chadwick, D. J. The Tumour Microenvironment: Causes and Consequences of Hypoxia and Acidity. Novartis Foundation Symposium 240. , (2008).
- 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).
- Robergs, R. A., Ghiasvand, F., Parker, D. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis. Am. J. Phys. 287, R502-R516 (2004).
- Wang, J., Liu, J., Chen, L., Lu, F. Highly selective membrane-free, mediator-free glucose biosensor. Anal. Chem. 66, 3600-3603 (1994).
- 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).
- 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).
