mems技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用

mems技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用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,實現(xiàn)細胞附著。在此之后的首個生物MEMS研究,在該領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展緩慢,約20年。1985年,UNIPATH公司進行商業(yè)化實踐,將第一個微流體裝置內(nèi)含紙質(zhì)與第一微流體產(chǎn)品推向市場。在1990年,Ciba-Geigy公司(現(xiàn)在的諾華),瑞士的安德烈亞斯·曼茨與H、邁克爾·威德默首先創(chuàng)造了這個詞——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)。差不多有三個主要的推動因素:

三個主要的推動因素首先,過去幾十年的藥物發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)致20世紀90年代,許多色譜分析在設(shè)備上并行運行的時間與成本差不多大幅下降。

其次,創(chuàng)建人類基因組計劃(HGP),在1990年10月開始,DNA測序能力的改善需求。使得毛細管電泳成為成為化學(xué)與DNA分離的一個重點。第三,美國國防部DARPA支持了一系列的微流體研究計劃在20世紀90年代后,美國國防部意識到需要有一個制定現(xiàn)場部署微檢測化學(xué)與生物制劑的機構(gòu),因為這都是是潛在的軍事與恐怖主義威脅。1993年,George、M、Whitesides,哈佛大學(xué)的化學(xué)家,推出了價格低廉的基于PDMS的微細加工,這完全改變了生物MEMS領(lǐng)域。生物MEMS領(lǐng)域的爆炸便是從那時開始。測壓傳感器測壓傳感器是將力或重力轉(zhuǎn)化為電信號的換能器。測壓傳感器應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中被稱為醫(yī)用測壓傳感器,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截了當連接時。假如傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測儀器內(nèi),要使用不銹鋼與陽極化鋁等標準包裝材料。假如設(shè)備與人體或液體直截了當接觸,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)用測壓傳感器早期曾用于病床負重監(jiān)測,現(xiàn)在則將小型測壓傳感器應(yīng)用到容易發(fā)生人為錯誤的領(lǐng)域,如:用于給藥的輸液泵。為了盡估計精確地調(diào)節(jié)流速以及便于護士隨時監(jiān)測,人們將測壓傳感器應(yīng)用在輸液泵上。這種傳感器可準確測量輸液袋的重量,當液體重量與預(yù)先設(shè)定值不同時,傳感器會馬上向連接的設(shè)備發(fā)出警告信息,并及時跟控制器通信。大多數(shù)測壓傳感器的核心部件是電阻應(yīng)變計。該元件受到拉力或壓力時,電阻會發(fā)生變化。箔應(yīng)變計是最常用的一種,由經(jīng)過熱處理的超薄金屬箔片制成。該箔片能夠在介電薄層上化學(xué)蝕刻而成,或者采納真空沉積或濺射技術(shù),通過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)變計應(yīng)該體積小,成本低,關(guān)于負荷方向上的應(yīng)變極為靈敏,而且不受周圍環(huán)境溫度變化的影響。要通過應(yīng)變計測量應(yīng)變,所用電路必須能夠測量微小應(yīng)變帶來的微弱電阻變化。應(yīng)變計換能器通常包括4個應(yīng)變計元件,這些元件通過導(dǎo)線連接成惠斯頓電橋電路。作為應(yīng)變測量的最佳選擇,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)。植入式傳感器

植入式傳感器應(yīng)當體積小,重量輕,同時與身體兼容,同時還要求其功率特別小。更重要的是,它們不能隨著時間的推移而衰變。

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)的批準才能使用。一般來講,這類傳感器價格特別昂貴,而且需要專家做外科手術(shù)進行移植。

植入式傳感器體積小、重量輕、同時與身體兼容,同時還要求其功率特別小。更重要的是,它們不能隨著時間的推移而衰變。對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,然而市場尚沒有這種傳感器出售。壓電聚合傳感器體積小,可靠性高,不需要外部動力而且能長時間持續(xù)工作。這類傳感器可應(yīng)用于監(jiān)視病人活動的心臟起搏器,通過植入式傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測心率變化。舉個例子,由于腹部長了一個大動脈瘤,要求切除一部分脆弱的動脈,用人工合成的管狀器官來替代。這時,能夠在手術(shù)的過程中植入一個傳感器,用來監(jiān)視手術(shù)部位的壓力泄漏。心臟起搏器每當病人運動時,傳感器就會產(chǎn)生一個信號。心臟起搏器接收到這些信號,然后使心臟也相應(yīng)的博動。假如病人在休息,信號為零,則心臟起搏器會使心臟以正常頻率博動,例如大約70次/分鐘。傳感器能區(qū)分出各種活動,例如走路、跑步、或是其他身體活動。傳感器的輸出與運動量成正比。該傳感器的長度為15/100英寸。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)動生物傳感器生物傳感器對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測,它是由固定化的生物敏感材料做識別元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))與適當?shù)睦砘瘬Q能器(如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等)及信號放大裝置構(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)測多種細菌、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,是實時測定生物分子結(jié)合的技術(shù)。生物傳感器設(shè)備包括生物識別系統(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)換成測量,如一個電信號。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),包括機械檢測,電檢測,光檢測。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)合親與力。在結(jié)合的示蹤物,如熒光的分子,酶,或放射性同位素之后,能夠追蹤到產(chǎn)生信號的物理化學(xué)變化。然而在傳感器中使用的抗體是有局限性:抗體結(jié)合的能力強烈依賴于測定條件(例如pH值與溫度)抗體-抗原的相互作用一般是不可逆的。免疫傳感器特定的綁定功能與酶的催化活性他們流行bioreceptors的。通過幾種估計的機制:1)酶分析物轉(zhuǎn)換成另一種產(chǎn)物,由傳感器檢測到,2)檢測分析物的酶抑制或激活,3)對產(chǎn)生與被分析物相互作用的酶性能的監(jiān)測變形分析物識別。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,以檢測一組的分析物(底物的催化活性的產(chǎn)品,抑制劑,與調(diào)制器),3)使用幾個不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)方法,用于檢測被分析物的適用性。值得注意的是,由于沒有在反應(yīng)中消耗酶,生物傳感器能夠特別容易地被連續(xù)使用。然而,傳感器的壽命受到酶的穩(wěn)定性的限制。酶傳感器核酸相互作用采納核酸相互作用的生物傳感器,能夠被稱為為genosensors。識別過程的基礎(chǔ)上互補堿基配對的原則,腺嘌呤胸腺嘧啶與胞嘧啶,鳥嘌呤DNA。假如靶核酸序列是已知的,能夠合成互補序列的標記,然后固定在傳感器上。然后,雜交探針與靶序列的堿基配對,產(chǎn)生的光信號。DNA電化學(xué)傳感器是利用單鏈DNA(ssDNA)作為敏感元件,通過共價鍵合或化學(xué)吸附固定在固體電極表面,加上識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與溶液中的互補序列DNA的特異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA),同時借助一能識別ssDNA與dsDNA的雜交指