超靈敏微流體穿戴式應(yīng)變傳感器用于眼壓監(jiān)測(cè)

     可穿戴技術(shù)具有通過(guò)提供生理參數(shù)的連續(xù)測(cè)量來(lái)改變醫(yī)療保健的潛力。不使用電子元件就能被動(dòng)監(jiān)測(cè)生理壓力的傳感器是可穿戴隱形眼鏡的理想選擇，因?yàn)樗鼈兒苋菀着c角膜和外部環(huán)境接觸。在這里，我們報(bào)告了一種被動(dòng)集成微流體傳感器，具有一種新的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，將小的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為一個(gè)大的流體體積膨脹，可通過(guò)智能手機(jī)相機(jī)檢測(cè)。傳感器結(jié)構(gòu)和材料性能的優(yōu)化導(dǎo)致了一個(gè)線性和穩(wěn)定的傳感器響應(yīng)。結(jié)果表明，傳感器對(duì)單軸應(yīng)變的檢測(cè)限為0.06%，對(duì)雙軸應(yīng)變的19小時(shí)的持續(xù)運(yùn)行能力，使用壽命達(dá)到>7個(gè)月，顯示了長(zhǎng)期眼科監(jiān)測(cè)應(yīng)用的潛力。

      青光眼是一種神經(jīng)退行性疾病，可導(dǎo)致不可逆的進(jìn)行性視力喪失。根據(jù)2013年的數(shù)據(jù)，全球青光眼患者（40-80歲）的人數(shù)估計(jì)為6500萬(wàn)，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到7600-8000萬(wàn)，2040年將達(dá)到1.12億。高眼壓(IOP)是青光眼的主要和單一可改變的危險(xiǎn)因素。目前，在醫(yī)生的辦公室使用眼壓計(jì)進(jìn)行的IOP的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，提供了一個(gè)單一的數(shù)據(jù)點(diǎn)。然而，IOP不僅在一天中發(fā)生變化，而且因人而異，并取決于日常生活（如飲食、鍛煉等）。IOP的日波動(dòng)是青光眼進(jìn)展的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。這些波動(dòng)可以改變醫(yī)生對(duì)疾病進(jìn)展的看法。因此，需要連續(xù)、方便、準(zhǔn)確的IOP測(cè)量來(lái)有效治療青光眼。

      可穿戴技術(shù)利用納米顆粒、碳納米管和嵌入在彈性體中的液態(tài)金屬/離子液體進(jìn)行機(jī)械電氣轉(zhuǎn)導(dǎo)。隱形眼鏡式可穿戴傳感器不僅適用于眼科應(yīng)用（如青光眼管理），也適用于對(duì)淚液中化學(xué)生物標(biāo)志物水平的測(cè)量。可穿戴傳感器中的電氣測(cè)量需要金屬或半導(dǎo)體組件，用于功率、射頻或藍(lán)牙通信和數(shù)據(jù)處理。

      由于電子元件的低空氣滲透性和不透明性，以及傳感器與角膜連接時(shí)的困難，這對(duì)于眼部應(yīng)用尤其困難。臨床研究表明，24小時(shí)使用帶有電組件的隱形眼鏡會(huì)由于機(jī)械不匹配的而導(dǎo)致角膜形貌的改變。在另一項(xiàng)臨床研究中，DeSmedtetal.顯示，在90%的患者使用隱形眼鏡與電組件有熒光素陽(yáng)性染色24小時(shí)后，角膜損傷的跡象，與電組件的位置相關(guān)（例如，微處理器），30%的病人需要抗生素治療。Kim等人證明，由石墨烯-銀納米線組成的透明電元件可以解決接觸鏡傳感器中金屬組件的不透明問(wèn)題。近，Jiang等人建議利用微流體技術(shù)來(lái)提高隱形眼鏡傳感器的透氣性。

導(dǎo)流體液體在微流體通道中的應(yīng)用由于其柔韌性性和魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在可穿戴傳感方面引起了關(guān)注。微流控物理傳感器（如應(yīng)變、溫度、壓力）已被證明用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如步態(tài)監(jiān)測(cè)、關(guān)節(jié)/肌肉活動(dòng)監(jiān)測(cè)、血壓監(jiān)測(cè)、模擬人體體外循環(huán)和眼壓監(jiān)測(cè)。

      具有被動(dòng)視覺(jué)讀出的微流控傳感器在可穿戴應(yīng)用中具有固有的優(yōu)勢(shì)，如透明度、生物相容性、靈活性和易于接口，因?yàn)樗鼈儾恍枰魏坞娮釉?。微流體與智能手機(jī)相機(jī)的集成可以輕松準(zhǔn)確地檢測(cè)顏色或形狀變化。被動(dòng)視覺(jué)讀出在眼科是更好的，因?yàn)橐曈X(jué)容易獲得和靶器官，角膜的機(jī)械敏感性。微流體的智能手機(jī)成像已被證明可用于使用植入式微流體傳感器進(jìn)行連續(xù)眼壓(IOP)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)讀出。

      在本研究中，Araci等人使用體積放大來(lái)提高壓力靈敏度（見(jiàn)補(bǔ)充圖1）。體積放大是將體積變化轉(zhuǎn)換為大的線性位移，這是微流控傳感器的另一個(gè)*優(yōu)勢(shì)。這種現(xiàn)象也被用于普通的汞基溫度計(jì)，以一種特殊形式的膨脹測(cè)量法[32]。基于膨脹測(cè)量法的微流控被動(dòng)傳感器可以將給定的物理輸入轉(zhuǎn)換為液體半月板的位移，用于視覺(jué)檢測(cè)。這種器件的穩(wěn)定性和壽命依賴于氣體和液體體積及其界面能的平衡。這就限制了壽命[23]或傳感器材料（例如，溫度計(jì)中的汞和玻璃，分別是不生物相容性和不滲透的）。因此，為了在軟被動(dòng)微流控應(yīng)變傳感器中獲得一種穩(wěn)健的性能，需要一種穩(wěn)定的、生物相容性的液體/傳感器材料組合以及一種敏感的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。

在此，我們提出了一種新型的微流控膨脹計(jì)，它被用作一種無(wú)電子應(yīng)變傳感器。我們利用微流控通道網(wǎng)絡(luò)的體積膨脹（即膨脹）作為應(yīng)變傳感器的工作原理。通過(guò)數(shù)值模擬，我們優(yōu)化了器件的體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)大的體積放大。我們已經(jīng)從用各種幾何參數(shù)和材料制作的傳感器中獲得了廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在毛細(xì)力作用下，導(dǎo)油的吸收和微小通道變形是影響圖像應(yīng)變傳感器性能的兩個(gè)主要因素（即引起漂移、遲滯和不穩(wěn)定）。我們減少了通道寬度以增加剛度，并利用了生物相容性和穩(wěn)定的材料（如疏油)NOA65消除吸油，導(dǎo)致線性和穩(wěn)健的性能。我們已經(jīng)將該傳感器嵌入到隱形眼鏡中，證明了該設(shè)備在眼科臨床應(yīng)用中的適用性。在生理?xiàng)l件下測(cè)量了去核豬眼的IOP誘導(dǎo)應(yīng)變，并與接觸眼壓測(cè)量進(jìn)行了比較。該設(shè)備可以測(cè)量青光眼臨床相關(guān)壓力范圍(10-40mmHg)內(nèi)IOP對(duì)角膜形狀變化引起的應(yīng)變。

微流控體的幾何形狀和材料性能的優(yōu)化

（略）

結(jié)論

我們使用NOA65和Clearflex的復(fù)制成型技術(shù)制作了傳感器。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了軟光刻技術(shù)，可以制造到100µm的通道高度為150µm(即通道膜厚度為~25µm)的傳感器。（見(jiàn)方法和圖2）。我們制造了具有不同儲(chǔ)層寬度和高度的傳感器。傳感器響應(yīng)分別在機(jī)械應(yīng)力/應(yīng)變分析儀(bimomomentum Inc.，Mach-1)和自制的半球形壓力容器上進(jìn)行了表征.對(duì)于單軸測(cè)試，傳感器被放置在Mach-1上，并在2小時(shí)內(nèi)被拉伸和釋放三次。下圖3結(jié)果顯示，Clearflex的傳感器具有較大的滯后和恒定的漂移。然而，在保持相同的靈敏度的情況下，隨著液藏寬度從200µm減小到50µm，滯后和漂移都減小。與由Clearflex制造的傳感器相比，NOA65傳感器在200µm的儲(chǔ)層寬度下具有更小的遲滯性和更好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的提高可以解釋為noa65減少的液體吸收和更高的彈性模量。由此可見(jiàn)，NOA65傳感器在50µm儲(chǔ)層寬度下的穩(wěn)定性得到改善，視覺(jué)上無(wú)漂移，滯后可忽略，這支持了較高的楊氏模量和較低的通道寬度有助于更好的穩(wěn)定性。我們將這種急劇的改善歸因于i)毛細(xì)管力的平衡和ii)隨著儲(chǔ)層通道寬度的減小，更硬的通道膜的變形減小。

論文詳情歡迎索取。

MACH-1 是Biomomentum公司生產(chǎn)的多功能微觀力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，能對(duì)微小樣本進(jìn)行拉伸，壓縮，壓痕，剪切，扭轉(zhuǎn)，多力耦合，動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試等。詳情歡迎聯(lián)系世聯(lián)博研（北京）科技有限公司。