專利名稱：微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種組織液透皮抽取和收集裝置。特別是涉及一種基于PDMS微流體 技術(shù)的，微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置。
背景技術(shù)：
糖尿病是中老年人的常見和多發(fā)病，隨著人們生活水平的提高，糖尿病的發(fā)病率 也日益上升，世界衛(wèi)生組織將它和腫瘤，心腦血管病一起列為世界范圍內(nèi)的三大難癥。據(jù)國 際糖尿病聯(lián)合會估計，目前全球糖尿病患者已超過2. 4億，到2025年這一數(shù)字將增加到3. 5 億；同時，據(jù)最新統(tǒng)計目前我國共有糖尿病患者近4050萬，占世界患者總數(shù)的20%左右，每 年糖尿病醫(yī)療費用達833億元。糖尿病造成的醫(yī)療開支巨幅增長，并給發(fā)展中國家?guī)韯?動力的巨大損失，已被公認為愈來愈嚴重，且存在于全世界所有國家的普遍性公共衛(wèi)生健 康問題。積極預(yù)防和治療糖尿病已迫在眉睫。 目前的糖尿病檢測方法主要依靠的是有創(chuàng)測量，即通常需要從病人的手指處取 血，然后依靠化學(xué)的方法，測定病人血液中葡萄糖的濃度，有創(chuàng)方法在血糖檢測過程中需要 消耗品，每次對病人進行血糖檢測時都會對病人產(chǎn)生一定程度的傷害，給他們帶來痛苦并 有感染的危險，且這種方法最大的缺點就是不能實現(xiàn)人體血糖濃度的動態(tài)檢測，無法反映 病人血糖濃度的實時變化情況，達不到很好的輔助治療的效果，比如定期的取指血試驗經(jīng) 常不能探測到所有的低血糖事件和高血糖事件，特別是夜間的低血糖經(jīng)常是測不到的。
為了實現(xiàn)血糖濃度的動態(tài)、連續(xù)檢測，人們嘗試了多種方法，例如體外光學(xué)檢測的 無創(chuàng)方法、直接測量皮下葡萄糖濃度的植入式方法和透皮抽取檢測組織液中葡萄糖濃度的 微創(chuàng)方法。由于無創(chuàng)方法的檢測精度有限和可靠性較低等缺點，一直未能實現(xiàn)臨床應(yīng)用，尚 處于研究階段。植入式方法并非為日常應(yīng)用而設(shè)計，它需要經(jīng)過訓(xùn)練的人員將葡萄糖傳感 器植入皮下，因此無法方便的操作。組織液中的葡萄糖水平與血糖水平有高相關(guān)性，為透皮 抽取和檢測組織液中葡萄糖濃度的微創(chuàng)方法提供了檢測依據(jù)。鑒于微創(chuàng)方法一方面可以減 輕患者進行血糖檢測的痛苦，減弱感染的危險，另一方面可以實現(xiàn)血糖濃度的動態(tài)、連續(xù)檢 測，微創(chuàng)方法近年來倍受關(guān)注。 鑒于微創(chuàng)血糖檢測方法透皮抽取組織液樣品受到皮膚低通透性的限制，人們提出 了多種提高分子透皮傳輸?shù)姆椒?，包括用化學(xué)藥品改變皮膚結(jié)構(gòu)、利用電場方法和利用超 聲方法等。在用低頻超聲對皮膚進行預(yù)處理后，采用真空負壓抽取組織液的方法是一種微 創(chuàng)、無痛且具有較大組織液流量的技術(shù)，該方法所得到的葡萄糖流量可以達到反向離子電 滲法所獲得葡萄糖流量的25倍。但是利用傳統(tǒng)的真空發(fā)生裝置、管路和控制閥，一方面組 織液透皮抽取量很小，組織液的收集非常困難，在管路和控制閥中的損失也很厲害，對組織 液檢測環(huán)節(jié)的要求很高；另一方面，難以實現(xiàn)組織液透皮抽取和收集裝置的微型化和集成 化，要獲得可滿足病人臨床應(yīng)用需要的便攜式的微創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)就更加困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種針對人體血糖濃度微創(chuàng)、動態(tài)、連續(xù)檢測
的需要，基于PDMS微流體技術(shù)的，微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝
置，包括有通過微管路連通的生理鹽水腔、組織液抽取腔、收集腔、真空文氏管發(fā)生器和多
個用于控制微管路的打開和關(guān)閉的控制閥，其中，所述的生理鹽水腔通過微管路與組織液
抽取腔相連通，還通過微管路與該抽取和收集裝置外部相連通；所述的組織液抽取腔還通
過微管路分別與收集腔、真空文氏管發(fā)生器以及該抽取和收集裝置外部相連通；所述的收
集腔還通過微管路分別與真空文氏管發(fā)生器以及該抽取和收集裝置外部相連通。 所述的生理鹽水腔與該抽取和收集裝置外部相連通，包括與用于提供生理鹽水的
外部生理鹽水源相連通。 所述的生理鹽水腔與該抽取和收集裝置外部相連通，包括與用于利用真空負壓實 現(xiàn)生理鹽水定量注入的大氣相連通。 所述的生理鹽水腔和組織液抽取腔之間設(shè)置有第三控制閥、組織液抽取腔和收集
腔之間設(shè)置有第四控制閥、組織液抽取腔和真空文氏管發(fā)生器之間設(shè)置有第一控制閥、組織
液抽取腔和該抽取和收集裝置外部之間設(shè)置有第六控制閥、收集腔和真空文氏管發(fā)生器之間
設(shè)置有第二控制閥、收集腔和該抽取和收集裝置外部之間的微管路上設(shè)置有第五控制閥。 所述的第一至第六控制閥采用有源可控閥。 所述的有源可控閥包括有氣動閥或壓電閥或靜電閥。 所述的微管路包括既可以通過液體也可以通過氣體的微管路，以及只能通過氣體 的微管路。 所述的即可以通過液體也可以通過氣體的微管路包括連通生理鹽水腔和組織液 抽取腔的微管路，連通生理鹽水腔和該抽取和收集裝置外部的微管路，連通組織液抽取腔 和收集腔的微管路，連通收集腔和該抽取和收集裝置外部的微管路。 所述的只能通過氣體的微管路包括連通組織液抽取腔和真空文氏管發(fā)生器的微 管路，連通組織液抽取腔和該抽取和收集裝置外部的微管路，連通收集腔和真空文氏管發(fā) 生器的微管路。
該裝置是由多層聚二甲基硅氧烷綁定而成。 本發(fā)明的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，具有如下特點 1.本發(fā)明利用微型真空文氏管發(fā)生器產(chǎn)生真空負壓，為組織液透皮抽取和收集裝
置提供統(tǒng)一和可控的驅(qū)動力，實現(xiàn)了微量組織液抽取和收集的一體化，解決了微量組織液
抽取后收集困難的問題； 2.本發(fā)明利用PDMS材料的高疏水性，顯著減小了透皮抽取獲得的組織液在微管 路中的損失； 3.本發(fā)明利用多層PDMS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了生理鹽水腔、組織液抽取腔、收集腔、真空文 氏管發(fā)生器、可控閥、微管路等結(jié)構(gòu)的集成和微型化。


圖1是本發(fā)明的組織液透皮抽取和收集裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖2是生理鹽水腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是組織液抽取腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是收集腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是真空文氏管發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是文氏管層真空文氏管發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖7是控制閥的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1 :生理鹽水腔2 :組織液抽取腔3 :收集腔4 :真空文氏管發(fā)生器5 :第一控制閥6 :第二控制閥7 :第三控制閥8 :第四控制閥9 :第五控制閥10:第六控制閥11:生理鹽水腔連接系統(tǒng)外部的微管路12:生理鹽水腔連接第三控制閥的微管路13:組織液抽取腔連接第一控制閥的微管路14:組織液抽取腔連接第六控制閥的微管路15:組織液抽取腔連接第三控制閥的微管路16:組織液抽取腔連接第四控制閥的微管路17:收集腔連接第四控制閥的微管路18:收集腔連接第二控制閥的微管路19:收集腔連接第五控制閥的微管路20:壓力腔21:發(fā)泡劑22:電極23:正壓輸入孔24:負壓輸出微管路25:氣體輸出端26:通氣孔 27 :控制閥薄膜28:文氏管層微管路29 :膜層微管路3 :頂層b :支撐層C :膜層 d:文氏管層6 :基底層
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝 置做出詳細說明。 如圖1所示，本發(fā)明的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，是由多層 聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane， PDMS)綁定而成，包括有通過微管路連通的生 理鹽水腔1、組織液抽取腔2、收集腔3、真空文氏管發(fā)生器4和多個用于控制微管路的打開 和關(guān)閉的控制閥5、6、7、8、9、10，其中，所述的生理鹽水腔1通過微管路與組織液抽取腔2 相連通，還通過微管路與該抽取和收集裝置外部相連通，所述的生理鹽水腔1與該抽取和 收集裝置外部相連通，包括與用于提供生理鹽水的外部生理鹽水源相連通，可以實現(xiàn)生理鹽水腔1內(nèi)生理鹽水的補給，以及與用于利用真空負壓實現(xiàn)生理鹽水定量注入的大氣相連 通；所述的組織液抽取腔2還通過微管路分別與收集腔3、真空文氏管發(fā)生器4以及該抽取 和收集裝置外部氣體相連通，所述的真空文氏管發(fā)生器4產(chǎn)生的真空負壓通過微管路連接 到組織液抽取腔2時，一方面可以實現(xiàn)生理鹽水的定量注入，另一方面可以實現(xiàn)組織液的 定壓定時抽??；所述的收集腔3還通過微管路分別與真空文氏管發(fā)生器4以及該抽取和收 集裝置外部氣體相連通，真空文氏管發(fā)生器4產(chǎn)生的真空負壓通過微管路連接到收集腔3 時，可以實現(xiàn)組織液的收集。 所述的生理鹽水腔1和組織液抽取腔2之間設(shè)置有第三控制閥7、組織液抽取腔2 和收集腔3之間設(shè)置有第四控制閥8、組織液抽取腔2和真空文氏管發(fā)生器4之間設(shè)置有第 一控制閥5、組織液抽取腔2和該抽取和收集裝置外部之間設(shè)置有第六控制閥10、收集腔3 和真空文氏管發(fā)生器4之間設(shè)置有第二控制閥6、收集腔3和該抽取和收集裝置外部之間的 微管路上設(shè)置有第五控制閥9。所述的第一至第六控制閥5、6、7、8、9、10采用有源可控閥。 所述的有源可控閥包括有氣動閥或壓電閥或靜電閥。 所述的微管路包括既可以通過液體也可以通過氣體的微管路，以及只能通過氣體 的微管路。 所述的即可以通過液體也可以通過氣體的微管路包括連通生理鹽水腔1和組織
液抽取腔2的微管路，連通生理鹽水腔1和該抽取和收集裝置外部的微管路，連通組織液抽
取腔2和收集腔3的微管路，連通收集腔3和該抽取和收集裝置外部的微管路。 所述的只能通過氣體的微管路包括連通組織液抽取腔2和真空文氏管發(fā)生器4
的微管路，連通組織液抽取腔2和該抽取和收集裝置外部的微管路，連通收集腔3和真空文
氏管發(fā)生器4的微管路。 如圖2 圖7所示，本發(fā)明的微型化的、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置， 是基于PDMS微流體技術(shù)的，微型化的、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，是由頂層、 支撐層、膜層、文氏管層和基底層這五層PDMS綁定而成。其中，文氏管層的真空文氏管發(fā)生 器4結(jié)構(gòu)，膜層的控制閥5、6、7、8、9、10薄膜，以及這兩層中相互連接的微管路采用模塑法 加工PDMS得到；生理鹽水腔1、組織液抽取腔2、收集腔3、位于真空文氏管發(fā)生器4內(nèi)和多 個控制閥5、6、7、8、9、10內(nèi)的壓力腔和各層之間相連通的微管路是通過在PDMS層狀結(jié)構(gòu)中 打通孔獲得；壓力源通過在頂層加工電極并沉積發(fā)泡劑獲得。壓力源由壓力腔、電極和發(fā)泡 劑三部分組成，給電極供電，電極加熱發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體使壓力腔內(nèi)的氣壓升高，為控制閥 的關(guān)閉提供動力，為真空文氏管發(fā)生器提供正壓輸入。該裝置利用真空文氏管發(fā)生器輸出 的真空負壓，在控制閥的調(diào)控下實現(xiàn)生理鹽水的定量注入，組織液的定壓定時抽取和組織 液的收集。 本發(fā)明的微型化的、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，是通過以下步驟實 現(xiàn)生理鹽水的定量注入，組織液的定壓定時抽取和組織液的收集
( — )裝置初始化 (1)采用注射器通過生理鹽水腔1連接系統(tǒng)外部微管路11向生理鹽水腔1內(nèi)注入 生理鹽水，注滿后，移走注射器； (2)給第一至第六控制閥5-10的壓力腔20內(nèi)的電極22供電，電極22加熱發(fā)泡劑 21產(chǎn)生的氣體使壓力腔20內(nèi)的氣壓升高，導(dǎo)致控制閥薄膜27變形，向下彎曲，關(guān)閉第一至第六控制閥5-10 ; (3)為與真空文氏管發(fā)生器4相連的壓力腔20內(nèi)的電極22供電，電極22加熱發(fā) 泡劑21產(chǎn)生的氣體從壓力腔20通過正壓輸入孔23進入真空文氏管發(fā)生器4。氣體通過 真空文氏管發(fā)生器4，從氣體輸出端25排出裝置，在真空文氏管發(fā)生器的喉管部分產(chǎn)生負 壓，該負壓通過負壓輸出微管路24為裝置實現(xiàn)生理鹽水的定量注入，組織液的定壓定時抽 取和組織液的收集提供動力。
(二)生理鹽水的定量注入 (1)停止給第一控制閥5和第三控制閥7的壓力腔20內(nèi)的電極22供電，電極22 和發(fā)泡劑21的溫度降低，發(fā)泡劑21停止產(chǎn)生氣體，壓力腔20內(nèi)的氣體通過通氣孔26輸出 到大氣中，使壓力腔內(nèi)的氣體壓力快速降低，控制閥薄膜變形快速減小，打開第一控制閥5 和第三控制閥7，生理鹽水腔內(nèi)1的生理鹽水在真空負壓的作用下注入組織液抽取腔2，并 在打開第一控制閥5和第三控制閥7的同時開始計時； (2)在注入生理鹽水一定時間后，給第三控制閥7的壓力腔20內(nèi)的電極22供電， 關(guān)閉第三控制閥7，完成生理鹽水的定量注入。 鑒于透皮抽取到的組織液在皮膚表面呈散點狀分布，且組織液的體積量非常微 小，難于收集，故而向組織液抽取腔內(nèi)注入生理鹽水，用于溶合呈散點狀分布的微量組織 液。注入生理鹽水的體積由生理鹽水注入的流速和時間決定，生理鹽水注入的流速由真空 文氏管發(fā)生器輸出的負壓決定，對于固定結(jié)構(gòu)的文氏管，其輸出的負壓由其輸入正壓決定， 真空文氏管發(fā)生器的輸入正壓由電極的溫度和電極上沉積發(fā)泡劑的多少決定。在電極上沉 積固定量的發(fā)泡劑之后，通過控制輸入電極的電功率來控制電極的溫度，進而控制生理鹽 水注入的流速；再通過控制第三控制閥打開和關(guān)閉之間的時間，即可實現(xiàn)生理鹽水的定量 注入。生理鹽水有利于后續(xù)組織液的收集，其定量注入為提高檢測環(huán)節(jié)的精度奠定了基礎(chǔ)。
(三)組織液的定壓定時抽取 在生理鹽水定量注入后，關(guān)閉第三控制閥7的同時開始計時。此時只有第一控制 閥5是打開的，組織液抽取腔2通過打開的第一控制閥5直接連接到真空文氏管發(fā)生器4， 進行組織液的定壓抽取。在一定的抽取時間之后，關(guān)閉第一控制閥5，打開第六控制閥10， 完成組織液的定壓定時抽取。關(guān)閉第一控制閥5是為了截斷真空負壓源——真空文氏管發(fā) 生器4與組織液抽取腔2之間的連接，停止負壓抽??；打開第六控制閥10是為了將組織液 抽取腔2與大氣連通，使組織液抽取腔2中的壓力快速恢復(fù)到大氣壓。組織液的定壓定時 抽取為保持組織液抽取過程的一致性提供了保證。
(四)組織液的收集 (1)打開第二控制閥6和第四控制閥8，利用真空文氏管發(fā)生器4輸出的負壓將組 織液抽取腔2中的組織液收集到收集腔3中； (2)關(guān)閉第二控制閥6、第四控制閥8和第六控制閥10，完成組織液的收集，收集起 來的組織液可供檢測和分析使用。 重復(fù)步驟(二 )、(三)和(四)可以進行多次生理鹽水注入、組織液抽取和收集 的循環(huán)。
(五)結(jié)束 (1)停止為與真空文氏管發(fā)生器4相連的壓力腔20內(nèi)的電極22供電，電極22和發(fā)泡劑21的溫度降低，發(fā)泡劑21停止產(chǎn)生氣體，真空文氏管發(fā)生器4停止輸出負壓；
(2)打開第一至第六控制閥5 10 ; (3)將注射器連接到與第五控制閥9相連接的通往系統(tǒng)外部的微管路，排空收集 腔和生理鹽水腔內(nèi)殘留的液體。 本發(fā)明公開和揭示的所有組合和方法可以通過借鑒本文公開內(nèi)容產(chǎn)生，盡管本發(fā) 明的組合和方法已通過詳細實施過程進行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯能在不脫離本 發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的方法和裝置進行拼接或改動，或增減某些部件，更具 體地說，所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包 括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容之中。
權(quán)利要求
一種微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，包括有通過微管路連通的生理鹽水腔(1)、組織液抽取腔(2)、收集腔(3)、真空文氏管發(fā)生器(4)和多個用于控制微管路的打開和關(guān)閉的控制閥(5、6、7、8、9、10)，其中，所述的生理鹽水腔(1)通過微管路與組織液抽取腔(2)相連通，還通過微管路與該抽取和收集裝置外部相連通；所述的組織液抽取腔(2)還通過微管路分別與收集腔(3)、真空文氏管發(fā)生器(4)以及該抽取和收集裝置外部相連通；所述的收集腔(3)還通過微管路分別與真空文氏管發(fā)生器(4)以及該抽取和收集裝置外部相連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的生理鹽水腔(1)與該抽取和收集裝置外部相連通，包括與用于提供生理鹽水的外部生理鹽水源相連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的生理鹽水腔(1)與該抽取和收集裝置外部相連通，包括與用于利用真空負壓實現(xiàn)生理鹽水定量注入的大氣相連通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的生理鹽水腔(1)和組織液抽取腔(2)之間設(shè)置有第三控制閥(7)、組織液抽取腔(2)和收集腔(3)之間設(shè)置有第四控制閥(8)、組織液抽取腔(2)和真空文氏管發(fā)生器(4)之間設(shè)置有第一控制閥(5)、組織液抽取腔(2)和該抽取和收集裝置外部之間設(shè)置有第六控制閥(10)、收集腔(3)和真空文氏管發(fā)生器(4)之間設(shè)置有第二控制閥(6)、收集腔(3)和該抽取和收集裝置外部之間的微管路上設(shè)置有第五控制閥(9)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的第一至第六控制閥(5、6、7、8、9、10)采用有源可控閥。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的有源可控閥包括有氣動閥或壓電閥或靜電閥。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的微管路包括既可以通過液體也可以通過氣體的微管路，以及只能通過氣體的微管路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的即可以通過液體也可以通過氣體的微管路包括連通生理鹽水腔(1)和組織液抽取腔(2)的微管路，連通生理鹽水腔(1)和該抽取和收集裝置外部的微管路，連通組織液抽取腔(2)和收集腔(3)的微管路，連通收集腔(3)和該抽取和收集裝置外部的微管路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，所述的只能通過氣體的微管路包括連通組織液抽取腔(2)和真空文氏管發(fā)生器(4)的微管路，連通組織液抽取腔(2)和該抽取和收集裝置外部的微管路，連通收集腔(3)和真空文氏管發(fā)生器(4)的微管路。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，其特征在于，該裝置是由多層聚二甲基硅氧烷綁定而成。
全文摘要
一種微型化、動態(tài)可控的組織液透皮抽取和收集裝置，有微管路和多個用于控制微管路打開和關(guān)閉的控制閥，具體構(gòu)成是生理鹽水腔通過微管路與組織液抽取腔相連通，通過微管路與該抽取和收集裝置的外部相連通；組織液抽取腔還通過微管路分別與收集腔、真空文氏管發(fā)生器以及該抽取和收集裝置的外部相連通；收集腔通過微管路分別與真空文氏管發(fā)生器以及該抽取和收集裝置的外部相連通。本發(fā)明利用微型真空文氏管發(fā)生器產(chǎn)生真空負壓，實現(xiàn)了微量組織液抽取和收集的一體化，解決了微量組織液抽取后收集困難的問題；減小了透皮抽取獲得的組織液在微管路中的損失；實現(xiàn)了生理鹽水腔、組織液抽取腔、收集腔、真空文氏管發(fā)生器、可控閥、微管路等結(jié)構(gòu)的集成和微型化。
文檔編號A61B10/02GK101779971SQ20101003135
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者于海霞, 徐可欣, 栗大超 申請人:天津大學(xué)