1、MEMS技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用微醫(yī)療傳感器,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(xì)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)（TAS）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(jì)90年代，許多色譜分析在設(shè)備上

2、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。使得毛細(xì)管電泳成為成為化學(xué)和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(jì)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)和生物制劑的機構(gòu)，因為這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

3、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(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)用測壓傳感器早期曾用于病床負(fù)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(yīng)用在輸液泵上。這種傳感器可準(zhǔn)確測量輸液袋的重量，當(dāng)液體重量與預(yù)先設(shè)定值不同時，傳感器會立即向連接的設(shè)備發(fā)出警告信息，并及時跟控制器通信。,大多數(shù)測壓

4、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。該箔片可以在介電薄層上化學(xué)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(yīng)變計應(yīng)該體積小，成本低，對于負(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

5、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(dāng)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。,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

6、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。,心臟起搏器,每當(dāng)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。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。,微傳感器的能源： 由于醫(yī)療

7、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(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(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

8、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(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)生信號的物理化學(xué)變化。 然而在傳感器中使用的抗體是有

9、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,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(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，和調(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，生物傳感器可以很容易地被連

10、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(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，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 ssDN

11、A 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 和 dsDNA 的雜交指示劑的電化學(xué)響應(yīng)信號的改變來確定被檢測基因是否存在, 達到定性的目的。,同時, 當(dāng)互補序列 DNA 的濃度發(fā)生改變時, 指示劑嵌入后的響應(yīng)信號也會發(fā)生相應(yīng)變化。 一定范圍內(nèi)指示劑的響應(yīng)信號與待測 DNA 物質(zhì)等基因傳感器在環(huán)境微生物功能基因檢測中的應(yīng)用 的量濃度成線性關(guān)系, 從而得以檢測基因含量, 達到定量的目的。,細(xì)胞通常用在bioreceptors中，因為它們是對周圍環(huán)境敏感，它們可以響應(yīng)各種興奮劑。 細(xì)胞傾向于附加到表面，這樣他們可以很容易地固

12、定。與細(xì)胞器相比，細(xì)胞仍然在較長時間內(nèi)是活躍的，具有再現(xiàn)性，使得它們可重復(fù)使用。 它們通常用來檢測全局參數(shù)，如脅迫條件下，毒性和有機衍生物。 它們也可以用于監(jiān)測藥物的治療效果。 一個例子是使用細(xì)胞，以檢測作為水生污染物的除莠劑。 微藻包埋石英超細(xì)纖維和修改后除草劑的葉綠素?zé)晒獾墓鈱W(xué)纖維束的尖端處收集并傳輸?shù)綗晒庥嫛?藻類不斷培養(yǎng)，以獲得優(yōu)化的測量。 研究結(jié)果表明，某些除草劑的檢測限可以達到亞ppb濃度水平。 某些細(xì)胞也可以被用于監(jiān)視的微生物腐蝕，例如假單孢菌。 腐蝕的材料表面的方式是固定在醋酸纖維素膜上。通過呼吸活性的確定，通過測量氧的消耗。 產(chǎn)生的電流和的硫酸濃度之間的線性關(guān)系。檢測時間可以控制在不超過5分鐘。,細(xì)胞檢測,“植入式傳感器在醫(yī)療上的應(yīng)用 - 醫(yī)療電子領(lǐng)域有哪些重要的傳感器”。電子發(fā)燒友網(wǎng)站 Jump up to: 一個 B C Marazuela，M.X. 0。 E.; A.莫雷諾-邦迪，M.X. 0。 E.; A. （2002年）。 “光纖生物傳感器-概述”。 分析和生物分析化學(xué) 372（5-6）：664-682。 DOI ： 10.1007/s00216-002-1235-9 。 PMID 11941437 “生物傳感器入門” 。 檢索2013年1月28日 。 韋德里納，C.，勒克萊爾，J.-C.，Durrieu，C.，陳德良胡志明市，C.（2003）。 光