mems技術(shù)在醫(yī)療中的應用演示文稿

mems技術(shù)在醫(yī)療中(Zhong)的應用演示文稿第一頁，共十八頁。mems技術(shù)在醫(yī)療中的(De)應用第二頁，共十八頁。mems技(Ji)術(shù)生物方向應用歷史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)和第一微流體產(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·曼茨和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傳感的微型全化學分析系統(tǒng)。已經(jīng)有三個主要的推動因素：

第三頁，共十八頁。三個主要的推動因素首先，過去幾十年的藥物發(fā)現(xiàn)在導致20世紀90年代，許多色譜分析在設備上并行運行的時間和成本已經(jīng)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(De)毛細管電泳成為成為化學和DNA分離的一個重點。第四頁，共十八頁。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)場部署微檢測化學和生物制劑的機構(gòu)，因為這都是是潛(Qian)在的軍事和恐怖主義威脅。1993年，George.M.Whitesides，哈佛大學的化學家，推出了價格低廉的基于PDMS的微細加工，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開始。第五頁，共十八頁。測壓(Ya)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。測壓傳感器應用在醫(yī)學中被稱為醫(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接連接時。如果傳感器用于某醫(yī)療器械集成的監(jiān)測儀器內(nèi)，要使用不銹鋼和陽極化鋁等標準包裝材料。如果設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。為了盡可能精確地調(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，當液體重量與預先設定值不同時，傳感器會立即向連接的設備發(fā)出警告信息，并及時跟控制器通信。第六頁，共十八頁。大多數(shù)測壓傳感器的核心部件是電阻應變計。該元件受到拉力或壓力時，電阻會發(fā)生變化。箔應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。該箔片可以在介電薄層上化學蝕刻而成，或者采用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。理想的應變計應該體積小，成本低，對于負荷方向上的應變極為靈敏，而且不受周圍環(huán)境溫度變化的影響。

要通過應變計測量應變，所用電路必須能夠測量微小應變帶來的微弱電阻變化。應變計換能器通常包括4個應變計元件，這些元件通過導線連接成惠斯頓電橋電路。作為應變測量的最佳選擇，這種電路為四腳并聯(lián)分離(Li)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)。第七頁，共十八頁。植入式傳(Chuan)感器

植入式傳感器應當體積小，重量輕，并且和身體兼容，同時還要求其功率非常小。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，這類傳感器價格非常昂貴，而且需要專家做外科手術(shù)進行移植。

第八頁，共十八頁。植入式傳感器體積小、重量輕、并且和身體兼容，同時還要求其功率非常小。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，可是市(Shi)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。這類傳感器可應用于監(jiān)視病人活動的心臟起搏器，通過植入式傳感器可以實時監(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，可以在手術(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。第九頁，共十八頁。心臟(Zang)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，然后使心臟也相應的博動。如果病人在休息，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。傳感器的輸出和運動量成正比。該傳感器的長度為15/100英寸。第十頁，共十八頁。微傳感器的能源：由于醫(yī)療用微傳感器要(Yao)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)動第十一頁，共十八頁。生(Sheng)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)學中，酶電極是最早研制且應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)。第十二頁，共十八頁。生物傳感器設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致的效果，即換能器轉(zhuǎn)換成測量，如一個(Ge)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。第十三頁，共十八頁。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(Hao)的物理化學變化。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值和溫度）抗體-抗原的相互作用一般是不可逆的。免疫傳感器第十四頁，共十八頁。特定的綁定功能和酶的催化活性他們流行bioreceptors的。通過幾種可能的機制：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，和調(diào)制器），3）使用幾個不同的轉(zhuǎn)導方法，用于檢測被分析物的適用性。值得注意的是，由于沒有(You)在反應中消耗酶，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。酶傳感器第十五頁，共十八頁。核酸相(Xiang)互作用采用核酸相互作用的生物傳感器，可以被稱為為genosensors。識別過程的基礎(chǔ)上互補堿基配對的原則，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。第十六頁，共十八頁。DNA電化學傳感器是利用單鏈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(Te)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(Te)定序列的ssDNA與溶液中的互補序列DNA的特(Te)異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA),同時借助一能識別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電化