mems技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用演示文稿

mems技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)mems技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用目前二頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)mems技術(shù)生物方向應(yīng)用歷史1967年，SB卡特使用的陰影蒸發(fā)鈀的島嶼，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞附著。在此之后的首個(gè)生物MEMS研究，在該領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展緩慢，約20年。1985年，UNIPATH公司進(jìn)行商業(yè)化實(shí)踐，將第一個(gè)微流體裝置內(nèi)含紙質(zhì)和第一微流體產(chǎn)品推向市場(chǎng)。在1990年，Ciba-Geigy公司（現(xiàn)在的諾華），瑞士的安德烈亞斯·曼茨和H.邁克爾·威德默首先創(chuàng)造了這個(gè)詞——微全分析系統(tǒng)（μTAS）在其開創(chuàng)性的論文中提出使用化學(xué)傳感的微型全化學(xué)分析系統(tǒng)。已經(jīng)有三個(gè)主要的推動(dòng)因素：

目前三頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)三個(gè)主要的推動(dòng)因素首先，過(guò)去幾十年的藥物發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)致20世紀(jì)90年代，許多色譜分析在設(shè)備上并行運(yùn)行的時(shí)間和成本已經(jīng)大幅下降。

其次，創(chuàng)建人類基因組計(jì)劃（HGP），在1990年10月開始，DNA測(cè)序能力的改善需求。使得毛細(xì)管電泳成為成為化學(xué)和DNA分離的一個(gè)重點(diǎn)。目前四頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)第三，美國(guó)國(guó)防部DARPA支持了一系列的微流體研究計(jì)劃在20世紀(jì)90年代后，美國(guó)國(guó)防部意識(shí)到需要有一個(gè)制定現(xiàn)場(chǎng)部署微檢測(cè)化學(xué)和生物制劑的機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@都是是潛在的軍事和恐怖主義威脅。1993年，George.M.Whitesides，哈佛大學(xué)的化學(xué)家，推出了價(jià)格低廉的基于PDMS的微細(xì)加工，這徹底改變了生物MEMS領(lǐng)域。生物MEMS領(lǐng)域的爆炸便是從那時(shí)開始。目前五頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)測(cè)壓傳感器測(cè)壓傳感器是將力或重力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的換能器。測(cè)壓傳感器應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中被稱為醫(yī)用測(cè)壓傳感器，它們都必須高度精確并緊湊包裝，以方便攜帶，特別是器械要與病人直接連接時(shí)。如果傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)，要使用不銹鋼和陽(yáng)極化鋁等標(biāo)準(zhǔn)包裝材料。如果設(shè)備與人體或液體直接接觸，則可使用可高壓蒸汽滅菌的特種不銹鋼或一次性傳感器。醫(yī)用測(cè)壓傳感器早期曾用于病床負(fù)重監(jiān)測(cè)，現(xiàn)在則將小型測(cè)壓傳感器應(yīng)用到容易發(fā)生人為錯(cuò)誤的領(lǐng)域，如：用于給藥的輸液泵。為了盡可能精確地調(diào)節(jié)流速以及便于護(hù)士隨時(shí)監(jiān)測(cè)，人們將測(cè)壓傳感器應(yīng)用在輸液泵上。這種傳感器可準(zhǔn)確測(cè)量輸液袋的重量，當(dāng)液體重量與預(yù)先設(shè)定值不同時(shí)，傳感器會(huì)立即向連接的設(shè)備發(fā)出警告信息，并及時(shí)跟控制器通信。目前六頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)大多數(shù)測(cè)壓傳感器的核心部件是電阻應(yīng)變計(jì)。該元件受到拉力或壓力時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生變化。箔應(yīng)變計(jì)是最常用的一種，由經(jīng)過(guò)熱處理的超薄金屬箔片制成。該箔片可以在介電薄層上化學(xué)蝕刻而成，或者采用真空沉積或?yàn)R射技術(shù)，通過(guò)材料的分子鍵合附著在介電層上。后一種技術(shù)通常稱為薄膜法。理想的應(yīng)變計(jì)應(yīng)該體積小，成本低，對(duì)于負(fù)荷方向上的應(yīng)變極為靈敏，而且不受周圍環(huán)境溫度變化的影響。

要通過(guò)應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變，所用電路必須能夠測(cè)量微小應(yīng)變帶來(lái)的微弱電阻變化。應(yīng)變計(jì)換能器通常包括4個(gè)應(yīng)變計(jì)元件，這些元件通過(guò)導(dǎo)線連接成惠斯頓電橋電路。作為應(yīng)變測(cè)量的最佳選擇，這種電路為四腳并聯(lián)分離式電橋電路，它可測(cè)量電阻變化引起的電流改變。其輸出電壓以單位輸入電壓下的毫伏數(shù)表示(mV/V)。目前七頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)植入式傳感器

植入式傳感器應(yīng)當(dāng)體積小，重量輕，并且和身體兼容，同時(shí)還要求其功率非常小。更重要的是，它們不能隨著時(shí)間的推移而衰變。

由于這類傳感器屬于第Ⅲ類醫(yī)療器械，因此需要有食品及藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)才能使用。一般來(lái)講，這類傳感器價(jià)格非常昂貴，而且需要專家做外科手術(shù)進(jìn)行移植。

目前八頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)植入式傳感器體積小、重量輕、并且和身體兼容，同時(shí)還要求其功率非常小。更重要的是，它們不能隨著時(shí)間的推移而衰變。對(duì)功率的要求是植入式傳感器正常工作所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。不需要功率就能發(fā)揮作用的傳感器是最完美的，可是市場(chǎng)尚沒(méi)有這種傳感器出售。壓電聚合傳感器體積小，可靠性高，不需要外部動(dòng)力而且能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。這類傳感器可應(yīng)用于監(jiān)視病人活動(dòng)的心臟起搏器，通過(guò)植入式傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率變化。舉個(gè)例子，由于腹部長(zhǎng)了一個(gè)大動(dòng)脈瘤，要求切除一部分脆弱的動(dòng)脈，用人工合成的管狀器官來(lái)替代。這時(shí)，可以在手術(shù)的過(guò)程中植入一個(gè)傳感器，用來(lái)監(jiān)視手術(shù)部位的壓力泄漏。目前九頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)心臟起搏器每當(dāng)病人運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。心臟起搏器接收到這些信號(hào)，然后使心臟也相應(yīng)的博動(dòng)。如果病人在休息，信號(hào)為零，則心臟起搏器會(huì)使心臟以正常頻率博動(dòng)，例如大約70次/分鐘。傳感器能區(qū)分出各種活動(dòng)，例如走路、跑步、或是其他身體活動(dòng)。傳感器的輸出和運(yùn)動(dòng)量成正比。該傳感器的長(zhǎng)度為15/100英寸。目前十頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)微傳感器的能源：由于醫(yī)療用微傳感器要求功率極低，而且安裝在諸如心臟起搏器之類的醫(yī)療器材附近，因此由植入醫(yī)療器材工作產(chǎn)生的電磁波輻射出的能量驅(qū)動(dòng)目前十一頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)生物傳感器生物傳感器對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，它是由固定化的生物敏感材料做識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具。在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素。藥物分析用生物傳感器的典型代表產(chǎn)品是SPR生物傳感器，這是一種表面膜共振分析，是實(shí)時(shí)測(cè)定生物分子結(jié)合的技術(shù)。目前十二頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)生物傳感器設(shè)備包括生物識(shí)別系統(tǒng)，稱為bioreceptor，以及換能器。與bioreceptor分析物之間的相互作用導(dǎo)致的效果，即換能器轉(zhuǎn)換成測(cè)量，如一個(gè)電信號(hào)。最常見的用于生物傳感bioreceptors基于抗體-抗原的相互作用，核酸相互作用，酶的相互作用，細(xì)胞相互作用，使用仿生材料的相互作用。普通的聲換能器技術(shù)，包括機(jī)械檢測(cè)，電檢測(cè)，光檢測(cè)。目前十三頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)免疫傳感器利用的是具體的特定的化合物或抗原與抗體的結(jié)合親和力。在結(jié)合的示蹤物，如熒光的分子，酶，或放射性同位素之后，可以追蹤到產(chǎn)生信號(hào)的物理化學(xué)變化。然而在傳感器中使用的抗體是有局限性：抗體結(jié)合的能力強(qiáng)烈依賴于測(cè)定條件（例如pH值和溫度）抗體-抗原的相互作用一般是不可逆的。免疫傳感器目前十四頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)特定的綁定功能和酶的催化活性他們流行bioreceptors的。通過(guò)幾種可能的機(jī)制：1）酶分析物轉(zhuǎn)換成另一種產(chǎn)物，由傳感器檢測(cè)到，2）檢測(cè)分析物的酶抑制或激活，3）對(duì)產(chǎn)生與被分析物相互作用的酶性能的監(jiān)測(cè)變形分析物識(shí)別。在生物傳感器中的酶的共同使用的主要理由是：1）能夠催化大量的反應(yīng)2）產(chǎn)生電勢(shì)，以檢測(cè)一組的分析物（底物的催化活性的產(chǎn)品，抑制劑，和調(diào)制器），3）使用幾個(gè)不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)方法，用于檢測(cè)被分析物的適用性。值得注意的是，由于沒(méi)有在反應(yīng)中消耗酶，生物傳感器可以很容易地被連續(xù)使用。然而，傳感器的壽命受到酶的穩(wěn)定性的限制。酶?jìng)鞲衅髂壳笆屙?yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)核酸相互作用采用核酸相互作用的生物傳感器，可以被稱為為genosensors。識(shí)別過(guò)程的基礎(chǔ)上互補(bǔ)堿基配對(duì)的原則，腺嘌呤胸腺嘧啶和胞嘧啶，鳥嘌呤DNA。如果靶核酸序列是已知的，可以合成互補(bǔ)序列的標(biāo)記，然后固定在傳感器上。然后，雜交探針與靶序列的堿基配對(duì)，產(chǎn)生的光信號(hào)。目前十六頁(yè)\總數(shù)十八頁(yè)\編于十四點(diǎn)DNA電化學(xué)傳感器是利用單鏈DNA(ssDNA)作為敏感元件,通過(guò)共價(jià)鍵合或化學(xué)吸附固定在固體電極表面,加上識(shí)別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構(gòu)成的檢測(cè)特定基因的裝置,如其工作原理是利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的互補(bǔ)序列DNA的特異識(shí)別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA),同時(shí)借助一能識(shí)別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)的改