mems技术在医疗中的应用.ppt

MEMS技术在医疗中的应用 微医疗传感器 mems技术生物方向应用历史 1967年 SB卡特使用的阴影蒸发钯的岛屿 实现细胞附着 在此之后的首个生物MEMS研究 在该领域的后续发展缓慢 约20年 1985年 UNIPATH公司进行商业化实践 将第一个微流体装置内含纸质和第一微流体产品推向市场 在1990年 Ciba Geigy公司 现在的诺华 瑞士的安德烈亚斯 曼茨和H 迈克尔 威德默首先创造了这个词 微全分析系统 TAS 在其开创性的论文中提出使用化学传感的微型全化学分析系统 已经有三个主要的推动因素 2 三个主要的推动因素首先 过去几十年的药物发现在导致20世纪90年代 许多色谱分析在设备上并行运行的时间和成本已经大幅下降 其次 创建人类基因组计划 HGP 在1990年10月开始 DNA测序能力的改善需求 使得毛细管电泳成为成为化学和DNA分离的一个重点 3 第三 美国国防部DARPA支持了一系列的微流体研究计划在20世纪90年代后 美国国防部意识到需要有一个制定现场部署微检测化学和生物制剂的机构 因为这都是是潜在的军事和恐怖主义威胁 1993年 George M Whitesides 哈佛大学的化学家 推出了价格低廉的基于PDMS的微细加工 这彻底改变了生物MEMS领域 生物MEMS领域的爆炸便是从那时开始 4 测压传感器 测压传感器是将力或重力转化为电信号的换能器 测压传感器应用在医学中被称为医用测压传感器 它们都必须高度精确并紧凑包装 以方便携带 特别是器械要与病人直接连接时 如果传感器用于某医疗器械集成的监测仪器内 要使用不锈钢和阳极化铝等标准包装材料 如果设备与人体或液体直接接触 则可使用可高压蒸汽灭菌的特种不锈钢或一次性传感器 医用测压传感器早期曾用于病床负重监测 现在则将小型测压传感器应用到容易发生人为错误的领域 如 用于给药的输液泵 为了尽可能精确地调节流速以及便于护士随时监测 人们将测压传感器应用在输液泵上 这种传感器可准确测量输液袋的重量 当液体重量与预先设定值不同时 传感器会立即向连接的设备发出警告信息 并及时跟控制器通信 5 大多数测压传感器的核心部件是电阻应变计 该元件受到拉力或压力时 电阻会发生变化 箔应变计是最常用的一种 由经过热处理的超薄金属箔片制成 该箔片可以在介电薄层上化学蚀刻而成 或者采用真空沉积或溅射技术 通过材料的分子键合附着在介电层上 后一种技术通常称为薄膜法 理想的应变计应该体积小 成本低 对于负荷方向上的应变极为灵敏 而且不受周围环境温度变化的影响 要通过应变计测量应变 所用电路必须能够测量微小应变带来的微弱电阻变化 应变计换能器通常包括4个应变计元件 这些元件通过导线连接成惠斯顿电桥电路 作为应变测量的最佳选择 这种电路为四脚并联分离式电桥电路 它可测量电阻变化引起的电流改变 其输出电压以单位输入电压下的毫伏数表示 mV V 6 植入式传感器 植入式传感器应当体积小 重量轻 并且和身体兼容 同时还要求其功率非常小 更重要的是 它们不能随着时间的推移而衰变 由于这类传感器属于第 类医疗器械 因此需要有食品及药物管理局 FDA 的批准才能使用 一般来讲 这类传感器价格非常昂贵 而且需要专家做外科手术进行移植 7 植入式传感器体积小 重量轻 并且和身体兼容 同时还要求其功率非常小 更重要的是 它们不能随着时间的推移而衰变 对功率的要求是植入式传感器正常工作所面临的主要挑战之一 不需要功率就能发挥作用的传感器是最完美的 可是市场尚没有这种传感器出售 压电聚合传感器体积小 可靠性高 不需要外部动力而且能长时间持续工作 这类传感器可应用于监视病人活动的心脏起搏器 通过植入式传感器可以实时监测心率变化 举个例子 由于腹部长了一个大动脉瘤 要求切除一部分脆弱的动脉 用人工合成的管状器官来替代 这时 可以在手术的过程中植入一个传感器 用来监视手术部位的压力泄漏 8 心脏起搏器 每当病人运动时 传感器就会产生一个信号 心脏起搏器接收到这些信号 然后使心脏也相应的博动 如果病人在休息 信号为零 则心脏起搏器会使心脏以正常频率博动 例如大约70次 分钟 传感器能区分出各种活动 例如走路 跑步 或是其他身体活动 传感器的输出和运动量成正比 该传感器的长度为15 100英寸 9 微传感器的能源 由于医疗用微传感器要求功率极低 而且安装在诸如心脏起搏器之类的医疗器材附近 因此由植入医疗器材工作产生的电磁波辐射出的能量驱动 10 生物传感器 生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测 它是由固定化的生物敏感材料做识别元件 包括酶 抗体 抗原 微生物 细胞 组织 核酸等生物活性物质 与适当的理化换能器 如氧电极 光敏管 场效应管 压电晶体等 及信号放大装置构成的分析工具 在临床医学中 酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器 利用具有不同生物特性的微生物代替酶 可制成微生物传感器 生物传感器已应用于监测多种细菌 病毒及其毒素 药物分析用生物传感器的典型代表产品是SPR生物传感器 这是一种表面膜共振分析 是实时测定生物分子结合的技术 11 生物传感器设备包括生物识别系统 称为bioreceptor 以及换能器 与bioreceptor分析物之间的相互作用导致的效果 即换能器转换成测量 如一个电信号 最常见的用于生物传感bioreceptors基于抗体 抗原的相互作用 核酸相互作用 酶的相互作用 细胞相互作用 使用仿生材料的相互作用 普通的声换能器技术 包括机械检测 电检测 光检测 12 免疫传感器利用的是具体的特定的化合物或抗原与抗体的结合亲和力 在结合的示踪物 如荧光的分子 酶 或放射性同位素之后 可以追踪到产生信号的物理化学变化 然而在传感器中使用的抗体是有局限性 抗体结合的能力强烈依赖于测定条件 例如pH值和温度 抗体 抗原的相互作用一般是不可逆的 免疫传感器 13 特定的绑定功能和酶的催化活性他们流行bioreceptors的 通过几种可能的机制 1 酶分析物转换成另一种产物 由传感器检测到 2 检测分析物的酶抑制或激活 3 对产生与被分析物相互作用的酶性能的监测变形分析物识别 在生物传感器中的酶的共同使用的主要理由是 1 能够催化大量的反应2 产生电势 以检测一组的分析物 底物的催化活性的产品 抑制剂 和调制器 3 使用几个不同的转导方法 用于检测被分析物的适用性 值得注意的是 由于没有在反应中消耗酶 生物传感器可以很容易地被连续使用 然而 传感器的寿命受到酶的稳定性的限制 酶传感器 14 核酸相互作用 采用核酸相互作用的生物传感器 可以被称为为genosensors 识别过程的基础上互补碱基配对的原则 腺嘌呤胸腺嘧啶和胞嘧啶 鸟嘌呤DNA 如果靶核酸序列是已知的 可以合成互补序列的标记 然后固定在传感器上 然后 杂交探针与靶序列的碱基配对 产生的光信号 15 DNA电化学传感器是利用单链DNA ssDNA 作为敏感元件 通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表面 加上识别杂交信息的电活性指示剂 称为杂交指示剂 共同构成的检测特定基因的装置 如其工作原理是利用固定在电极表面的某一特定序列的ssDNA与溶液中的互补序列DNA的特异识别作用 分子杂交 形成双链DNA dsDNA 同时借助一能识别ssDNA和dsDNA的杂交指示剂的电化学响应信号的改变来确定被检测基因是否存在 达到定性的目的 16 同时 当互补序列DNA的浓度发生改变时 指示剂嵌入后的响应信号也会发生相应变化 一定范围内指示剂的响应信号与待测DNA物质等基因传感器在环境微生物功能基因检测中的应用的量浓度成线性关系 从而得以检测基因含量 达到定量的目的 17 细胞通常用在bioreceptors中 因为它们是对周围环境敏感 它们可以响应各种兴奋剂 细胞倾向于附加到表面 这样他们可以很容易地固定 与细胞器相比 细胞仍然在较长时间内是活跃的 具有再现性 使得它们可重复使用 它们通常用来检测全局参数 如胁迫条件下 毒性和有机衍生物 它们也可以用于监测药物的治疗效果 一个例子是使用细胞 以检测作为水生污染物的除莠剂 微藻包埋石英超细纤维和修改后除草剂的叶绿素荧光的光学纤维束的尖端处收集并传输到荧光计 藻类不断培养 以获得优化的测量 研究结果表明 某些除草剂的检测限可以达到亚ppb浓度水平 某些细胞也可以被用于监视的微生物腐蚀 例如假单孢菌 腐蚀的材料表面的方式是固定在醋酸纤维素膜上 通过呼吸活性的确定 通过测量氧的消耗 产生的电流和的硫酸浓度之间的线性关系 检测时间可以控制在不超过5分钟 细胞检测 18 植入式传感器在医疗上的应用 医疗电子领域有哪些重要的传感器 电子发烧友网站Jumpupto 一个BCMarazuela M X 0 E A 莫雷诺 邦迪 M X 0 E A 2002年 光纤生物传感器 概述 分析和生物分析化学372 5 6 664 682 DOI 10 1007 s00216 002 1235 9 PMID11941437 生物传感器入门 检索2013年1月28日 韦德里纳 C 勒克莱尔 J C Durrieu C 陈德良胡志明市 C 2003