Advancing Microneedle Sensors

QC 20261105

Abstract

Kontinuerlig övervakning av biomarkörer i dermal interstitiell vätska (ISF) skulle kunna föra kliniskt relevant information ut ur laboratoriet och in i vardagen. Mikronålar (MN) erbjuder en minimalt invasiv väg till denna vätska. De flesta MN-sensorer riktar sig dock mot ett snävt urval av kemiska analyter, och deras noggrannhet och reproducerbarhet är fortfarande begränsade. Denna avhandling undersöker tre aspekter av mikronålssensorik som går utöver själva sensorkemin: vilka parametrar som kan mätas, de fysikaliska förhållandena vid mätstället och sättet på vilket sensorn tillverkas.

Arbetet inleds med att utvidga elektrokemisk mikronålssensorik till löst syre. En sensor baserad på platinananopartiklar på MN av rostfritt stål mätte syre i ISF hos levande råttor. Studien synliggjorde också två begränsningar som kom att forma resten av avhandlingen. Sensorns respons var temperaturberoende, och manuell modifiering av mikronålarna gav upphov till variation mellan enheter.

Var och en av dessa begränsningar hanterades därefter. En temperatursensor baserad på en ledande polymer byggdes in i 3D-printade ihåliga mikronålar (HMN) för att mäta temperaturen direkt vid mätstället. Parallellt utvecklades en modulär tillverkningsstrategi som separerar hudpenetrering från avkänning: en 3D-printad HMN-skalstruktur står för den mekaniska hudpenetrationen, medan en 3D-printad ledande pelare bär sensormembranet. Denna design flyttar funktionaliseringen bort från den sköra nålspetsen och ger potentiometriska MN-sensorer med låg variation mellan enheter.

De två strategierna förenas slutligen i ett enda mikronålsplåster för kaliummätning, som kombinerar en kaliumselektiv HMN, en fastfasbaserad referens-HMN och en temperatur-MN. Plattformen visade att temperaturen påverkar såväl formalpotentialen som Nernst-lutningen. Den visade också att referenselektroden uppvisar en drift jämförbar med indikatorelektrodens. Genom att kompensera hela cellen med hjälp av den samlokaliserade temperatursignalen minskades mätfelet markant in vitro.

Sammantaget går avhandlingen från att utvidga vad mikronålssensorer kan mäta till den arkitektur som gör sådana mätningar reproducerbara. Tillförlitlighet framträder som en egenskap på systemnivå, gemensamt bestämd av sensorkemin, den fysikaliska kontexten och tillverkningsarkitekturen. Det modulära, 3D-printade tillvägagångssätt som utvecklats här utgör en praktisk grund för reproducerbara och multimodala mikronålssensorer.

Link to DiVA