用于生物傳感和藥物遞送的微針陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于生物傳感和藥物遞送技術(shù)的方法、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。在一個(gè)方面，用于檢測分析物和/或?qū)⑸锘瘜W(xué)物質(zhì)釋放至生物流體中的裝置可以包括中空針陣列和線陣列，其中每個(gè)針包括突起的針結(jié)構(gòu)和探針，突起的針結(jié)構(gòu)包括形成中空內(nèi)部的外壁和位于突起的針結(jié)構(gòu)末端的、暴露所述中空內(nèi)部的開口，所述探針位于所述外壁內(nèi)并用于與通過所述開口與所述探針發(fā)生接觸的一種或多種化學(xué)或生物學(xué)物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生探針感應(yīng)信號，并且所述線分別與所述中空針陣列的探針相聯(lián)，每根線均為導(dǎo)電性的，以傳輸各個(gè)探針產(chǎn)生的探針感應(yīng)信號。
【專利說明】用于生物傳感和藥物遞送的微針陣列
[0001] 相關(guān)申請的引用
[0002] 本專利申請要求2011年9月2日遞交的美國臨時(shí)申請第61/530, 927號的優(yōu)先權(quán) 權(quán)益。將上述專利申請的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文并作為本申請公開內(nèi)容的一部 分。
[0003] 關(guān)于政府資助的研究或開發(fā)的聲明
[0004] 本發(fā)明是在海軍研究所（0NR)授予的資助金N00014-08-1-1202號和桑迪亞國家 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室定向研究與開發(fā)（Laboratory Directed Research and Development, LDRD) 授予的資助金151337號的政府支持下完成的。政府具有本發(fā)明的某些權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0005] 本專利文件涉及生物傳感器和藥物遞送裝置。
[0006] 發(fā)明背景
[0007] 感應(yīng)體外和體內(nèi)生物學(xué)事件可以提供生理相關(guān)化合物的實(shí)時(shí)檢測，如監(jiān)測代謝 物、電解質(zhì)、生物化學(xué)物質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)、醫(yī)學(xué)相關(guān)分子、癌癥生物標(biāo)志物和致病微生物。進(jìn)行 此類生物事件感應(yīng)的裝置稱為生物傳感器，其可以提供生物體的生理物質(zhì)和過程的實(shí)時(shí)檢 測。生物傳感器為能檢測化學(xué)物、物質(zhì)或生物體的分析工具，其利用與轉(zhuǎn)換元件相聯(lián)的生 物感應(yīng)組件，所述轉(zhuǎn)換元件用于將檢測事件轉(zhuǎn)換為用于處理和/或顯示的信號。生物傳感 器可以使用生物材料作為生物感應(yīng)組件，例如，包括酶、抗體、核酸等的生物分子，以及活細(xì) 胞。例如，可以將分子生物傳感器配置為能利用特定化學(xué)特性或分子識別機(jī)制識別靶標(biāo)試 齊IJ。實(shí)例可以包括評價(jià)組織中的生理和病理活性，以及藥物開發(fā)和藥物篩選。生物傳感器 可以利用轉(zhuǎn)換元件將通過生物感應(yīng)組件檢測分析物產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為可以通過光學(xué)、電學(xué) 或其他方式處理的不同的信號。例如，轉(zhuǎn)換機(jī)制可以包括物理化學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、壓電以及 其他轉(zhuǎn)換方式。
[0008] 發(fā)明概述
[0009] 本文公開了用于生物傳感和治療干預(yù)的技術(shù)、系統(tǒng)和裝置。
[0010] 在所公開的技術(shù)的一個(gè)方面，裝置包括中空針陣列和線陣列，其中每個(gè)針包括突 起的針結(jié)構(gòu)和探針，突起的針結(jié)構(gòu)包括形成中空內(nèi)部的外壁和位于突起的針結(jié)構(gòu)末端的、 暴露所述中空內(nèi)部的開口，所述探針位于所述外壁內(nèi)并用于與通過所述開口與所述探針發(fā) 生接觸的一種或多種化學(xué)或生物學(xué)物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生探針感應(yīng)信號，所述線分別與所述 中空針陣列的探針相聯(lián)，每根線均為導(dǎo)電性的，以傳輸各個(gè)探針產(chǎn)生的探針感應(yīng)信號。
[0011] 實(shí)施方案可以任選地包括以下一個(gè)或多個(gè)特征。例如，探針中的一個(gè)或多個(gè)可以 包括功能化的包被，所述包被被配置為能與流體中的分析物相互作用?？梢允褂冒才喾?、伏 安法或電勢法中的至少一種檢測分析物和一個(gè)或多個(gè)功能化探針中的一個(gè)上的包被之間 的電化學(xué)相互作用。所述裝置還可以包括與線陣列通訊的處理單元，其接收探針感應(yīng)信號 并將探針感應(yīng)信號用作數(shù)據(jù)。處理單元可以將數(shù)據(jù)與閾值比較，以確定分析物濃度是否反 映了健康或疾病狀態(tài)。處理單元可以確定數(shù)據(jù)的模式，所述模式指示分析物濃度是否反映 了健康或疾病狀態(tài)。處理單元可以多路復(fù)用從探針接收的探針感應(yīng)信號?？梢詫⒀b置整合 至粘合式貼片中，以用于放置于皮膚上來檢測透皮液體中存在的分析物。
[0012] 在所公開技術(shù)的另一方面，裝置包括基底、電極和線，基底包括位于基底一側(cè)的、 具有中空內(nèi)部的微針，其中微針包括壁，所述壁具有開口于所述中空內(nèi)部的開口，電極包括 探針，探針被設(shè)置于中空內(nèi)部中，線連接于所述探針，其中電極被探針上的包被功能化，從 而能與分析物相互作用而產(chǎn)生電信號。
[0013] 實(shí)施方案可以任選地包括以下一個(gè)或多個(gè)特征。例如，可以使用安培法、伏安法或 電勢法中的至少一種檢測分析物和功能化電極上的包被之間的電化學(xué)相互作用。裝置還可 以包括與線通訊的處理單元，其接收電信號并將該電信號用作數(shù)據(jù)。處理單元可以將數(shù)據(jù) 與閾值比較，以確定分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。處理單元可以確定數(shù)據(jù)的模 式，所述模式指示分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)?？梢詫⒀b置整合于粘合式貼片 中，以用于放置于皮膚上來檢測透皮液體中存在的分析物。裝置還可以包括具有孔隙度能 可逆調(diào)節(jié)的孔的聚合物膜、配置于基底一側(cè)的突起結(jié)構(gòu)、容納化學(xué)物質(zhì)的容納結(jié)構(gòu)和連接 于所述聚合物膜的電極，其中所述聚合物膜附接于基底的對側(cè)，所述突起結(jié)構(gòu)具有在基底 中的、暴露聚合物膜的開口和位于突起結(jié)構(gòu)末端的開口之間的通道，所述容納結(jié)構(gòu)包括位 于所述突起結(jié)構(gòu)上方的、連接于所述聚合物膜的一個(gè)或多個(gè)開口，所述電極能提供電刺激， 從而引起所述聚合物膜的孔的擴(kuò)張至開放狀態(tài)，或引起聚合物膜的孔收縮至關(guān)閉狀態(tài)。處 理單元可以與線通訊，其接收電信號以用作數(shù)據(jù)并與電極通訊來產(chǎn)生電刺激。處理單元可 以處理數(shù)據(jù)以確定分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。處理單元可以驅(qū)動電極向聚合 物膜施加電刺激，以將其通透性從關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_放狀態(tài)，從而從裝置釋放化學(xué)物質(zhì)。處 理單元可以多路復(fù)用接收的電信號和電刺激的驅(qū)動。
[0014] 在另一方面，感應(yīng)分析物和遞送治療劑的方法包括檢測位于與化學(xué)功能化的探針 的界面處的分析物產(chǎn)生的信號，所述探針被配置為能與生物流體中的分析物發(fā)生電化學(xué)相 互作用，其中所述信號被所述化學(xué)功能化的探針轉(zhuǎn)換為電信號，處理電信號以確定分析物 參數(shù)，以及基于所測定參數(shù)，對閥門施加電刺激，所述閥門包括具有孔隙度能可逆調(diào)節(jié)的孔 的多孔聚合物膜，所述閥門連接于容納治療劑的容器，其中所述電刺激能將孔的通透性從 關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_放狀態(tài)，從而將治療劑釋放至生物流體中。
[0015] 在另一方面，裝置包括基底、生物傳感器模塊、驅(qū)動器模塊和處理單元，基底包括 位于所述基底一側(cè)上的、具有中空內(nèi)部的多個(gè)微針，每個(gè)微針包括壁，所述壁具有開口于所 述中空內(nèi)部的開口，處理單元與多根線通訊以接收電信號并將所接收的電信號用作數(shù)據(jù)， 其中所述處理單元與驅(qū)動器電極通訊以基于所述數(shù)據(jù)產(chǎn)生電刺激。生物傳感器模塊包括置 于第一組多個(gè)微針的中空內(nèi)部中的多個(gè)感應(yīng)電極以及多根線，所述感應(yīng)電極包括探針，其 中所述探針包括功能化的包被，所述功能化的包被被配置為能與流體中的分析物相互作用 而產(chǎn)生電信號，所述多根線中的一根線連接至感應(yīng)電極的探針。所述驅(qū)動器模塊包括聚合 物膜、多個(gè)突起結(jié)構(gòu)、容納結(jié)構(gòu)和連接于所述聚合物膜的驅(qū)動器電極，聚合物膜具有孔隙度 能可逆調(diào)節(jié)的孔，其中所述聚合物膜附接至基底的對側(cè)，多個(gè)突起結(jié)構(gòu)置于第二組多個(gè)微 針的中空內(nèi)部中，其中所述突起結(jié)構(gòu)包括在基底中的、暴露聚合物膜的開口和位于所述突 起結(jié)構(gòu)的末端的開口之間的通道，容納結(jié)構(gòu)容納位于聚合物膜上的化學(xué)物質(zhì)，其中所述容 納結(jié)構(gòu)包括連接于位于所述突起結(jié)構(gòu)上方的聚合物膜的一個(gè)或多個(gè)開口，所述驅(qū)動器電極 能提供電刺激，從而引起聚合物膜的孔擴(kuò)張至開放狀態(tài)，或引起聚合物膜的孔收縮至關(guān)閉 狀態(tài)。
[0016] 實(shí)施方案可以任選地包括以下一個(gè)或多個(gè)特征。例如，處理單元可以將數(shù)據(jù)與閾 值比較以確定分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。處理單元可以確定數(shù)據(jù)的模式，所 述模式能指示分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。處理單元可以驅(qū)動驅(qū)動器電極向聚 合物膜施加電刺激，以將其通透性從關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_放狀態(tài)，從而將化學(xué)物質(zhì)釋放至流 體中。處理單元可以多路復(fù)用從探針接收的電信號和向驅(qū)動器電極的電刺激的驅(qū)動。處理 單元可以包括配置于基底上的邏輯門?？梢詫⒀b置整合至粘合式貼片中，以用于放置于皮 膚上來檢測透皮液體中存在的分析物。
[0017] 本專利文件中描述的主題能夠以提供以下一個(gè)或多個(gè)特征的具體方式實(shí)施。描述 的微針陣列裝置和技術(shù)用于以自發(fā)性、侵入性最低化和受控的方式進(jìn)行多路復(fù)用感應(yīng)應(yīng)用 和/或藥物遞送。例如，可以使用能夠整合至貼片中并施用于皮膚的微針陣列、通過電化學(xué) 方法實(shí)施所公開的技術(shù)來檢測生物體中的分析物?？梢灾苯釉谖⑨樛钙そ缑鎸?shí)施生物傳 感，而不需要生物流體的提取以及隨后的處理?？梢允褂梦⑨橁嚵衅脚_將電勢、伏安和安培 技術(shù)用于轉(zhuǎn)換生理和生物化學(xué)信息，所述平臺可以整合為一個(gè)全包括平臺，以實(shí)現(xiàn)體液中 的多種分析物的直接生物傳感。另外，可以將生物傳感功能與驅(qū)動功能相聯(lián)。例如，可以通 過刺激反應(yīng)傳導(dǎo)性聚合物納米驅(qū)動器來啟動治療劑（例如，藥物、疫苗、胰島素、激素、維生 素、抗氧化劑和其他藥學(xué)試劑）遞送特性?？梢詫⑸飩鞲衅?驅(qū)動器平臺整合在粘合式 貼片上，以監(jiān)測關(guān)鍵生理/生物化學(xué)參數(shù)和/或根據(jù)需要遞送治療干預(yù)?？梢詫⒄澈鲜劫N 片與電子設(shè)備整合，以允許信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和通訊。該技術(shù)可以在示例性"感應(yīng)-作用-治療"反 饋環(huán)路過程中用作"感應(yīng)"構(gòu)件和"治療"構(gòu)件，其可以用于多種應(yīng)用，至少包括無線健康護(hù) 理、個(gè)體化治療、健康狀況分析、表現(xiàn)/健康監(jiān)測和運(yùn)動員/作戰(zhàn)人員監(jiān)測。
[0018] 例如，所公開的技術(shù)可以在需要實(shí)時(shí)評價(jià)健康的大量領(lǐng)域和專業(yè)中具有廣泛的應(yīng) 用。例如，可以將所述技術(shù)容易地施用于普通健康護(hù)理、健身、運(yùn)動、遠(yuǎn)程監(jiān)測、無線健康護(hù) 理、個(gè)體化醫(yī)療、表現(xiàn)/健康監(jiān)測和作戰(zhàn)人員監(jiān)測領(lǐng)域。該技術(shù)的侵入性最低化特性聯(lián)合其 強(qiáng)大的體系結(jié)構(gòu)，可以使得該技術(shù)良好適用于不同的生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測應(yīng)用，例如，獲得用于健 康狀況分析的生物標(biāo)志物信號，或用作表現(xiàn)/健康測量標(biāo)準(zhǔn)的生物分析物模式。作為另一 個(gè)實(shí)例，已知癌細(xì)胞（如黑素瘤）經(jīng)受增加的糖酵解水平，其造成局部環(huán)境的pH和葡萄糖 濃度降低，以及乳酸鹽濃度增加；因此所公開的技術(shù)可以同時(shí)地并局部地檢測葡萄糖、乳酸 鹽和pH,從而可以用作床旁（point-of-care)臨床診斷裝置，從而在能夠進(jìn)行繁瑣的活組 織檢查前確定皮膚細(xì)胞是否是癌性的并即時(shí)給出數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)所述技術(shù)用作示例性'感 應(yīng)-作用-治療'反饋環(huán)路中的"感應(yīng)"構(gòu)件時(shí)，所述技術(shù)可以用作能趨化高風(fēng)險(xiǎn)患者（例 如，中風(fēng)、心臟病患者等）的相關(guān)生理/生物化學(xué)信息的智能貼片的元件。此外，例如，可以 將該技術(shù)的這個(gè)特征調(diào)整為"貼片戰(zhàn)地醫(yī)院（battlefield hospital-on-a-patch) "，其能夠 測定急性損傷/創(chuàng)傷的發(fā)生并警告適當(dāng)人員對該個(gè)體進(jìn)行快速撤離并啟動目的性治療方 案。當(dāng)所述技術(shù)用作示例性'感應(yīng)-作用-治療'反饋環(huán)路的"治療"構(gòu)件時(shí)，所述技術(shù)可 以用作其能提供針對高風(fēng)險(xiǎn)患者（中風(fēng)、心臟病患者等）經(jīng)歷的急性事件的目的性療法的 智能貼片的元件?？梢詫⑦@些示例性特征調(diào)整為"貼片戰(zhàn)地醫(yī)院"，其能在傷員快速撤離和 治療不可行的戰(zhàn)斗情形下啟動治療方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1A-1C顯示了示例性微針陣列裝置的示意圖。
[0020] 圖1D-1F顯示了示例性微針和微針陣列的圖像。
[0021] 圖1G-1I顯示了施用于生物體上的粘合式貼片上的示例性微針陣列裝置的圖像。
[0022] 圖1J顯示了'感應(yīng)-作用-治療'反饋環(huán)路的示例性圖。
[0023] 圖1K顯示了示例性微針陣列傳感器-驅(qū)動器的圖，其特征為具有可單獨(dú)訪問的微 針以監(jiān)測不同的功能障礙和可單獨(dú)訪問的微針以響應(yīng)于功能障礙的檢測來遞送治療劑。
[0024] 圖1L顯示了目的性治療劑的示例性多路復(fù)用控制釋放的圖示。
[0025] 圖2A-2C顯示了示例性微針陣列條系統(tǒng)的示意圖。
[0026] 圖3A-3C所示的數(shù)據(jù)圖為利用個(gè)體微針的電化學(xué)陣列條上的各種生物標(biāo)志物的 多路復(fù)用檢測的示例性結(jié)果。
[0027] 圖4A和4B顯示了利用絲網(wǎng)印刷和模板方法制造以產(chǎn)生圖案的示例性微針陣列。
[0028] 圖5A顯示了利用實(shí)心和中空微針構(gòu)件制造示例性雙組件微針電極陣列的示例性 方法圖。
[0029] 圖5B顯示了完全組裝的示例性雙組件微針電極陣列的示意圖。
[0030] 圖5C顯示了在實(shí)心微針表面產(chǎn)生谷氨酸氧化酶（GluOx)功能化的聚（鄰苯二胺） (PPD)膜的示例性方法圖。
[0031] 圖ro顯示了示例性電聚合的谷氨酸氧化酶-聚（鄰苯二胺）膜的生物催化行為 圖。
[0032] 圖6A和6B分別顯示了示例性實(shí)心和中空微針陣列的掃描電鏡（SEM)圖。
[0033] 圖7顯示了示例性谷氨酸鹽雙組件微針陣列電極的流體力學(xué)伏安圖數(shù)據(jù)圖。
[0034] 圖8A和8B顯示了記錄的增加的谷氨酸鹽濃度的示例性計(jì)時(shí)電流圖數(shù)據(jù)圖。
[0035] 圖9顯示了在0. 1M磷酸鹽緩沖液中記錄的示例性計(jì)時(shí)電流圖數(shù)據(jù)圖。
[0036] 圖10所示為顯示在延長的時(shí)間段中谷氨酸鹽反應(yīng)的穩(wěn)定性的示例性數(shù)據(jù)圖。
[0037] 圖11A和11B所示為顯示示例性葡萄糖微針生物傳感器的敏感性的數(shù)據(jù)圖。
[0038] 圖12A和12B顯示了基于示例性微針的多通道、多路復(fù)用藥物遞送驅(qū)動器裝置的 示意圖。
[0039] 圖13A和13B顯示了示例性中空微針陣列的表面形態(tài)的SEM圖。
[0040] 圖14顯示了引發(fā)的從示例性的基于微針的藥物遞送驅(qū)動器裝置的可單獨(dú)訪問的 貯庫釋放次甲基綠的圖。
[0041] 圖15顯示了從示例性的基于微針的藥物遞送驅(qū)動器裝置的單個(gè)微針釋放次甲基 綠染料的延時(shí)靜止幀圖。
[0042] 圖16顯示的示例性紫外可見光譜數(shù)據(jù)圖，該圖展示了從示例性微針釋放的次甲 基綠染料的吸光度。
[0043] 圖17顯示了藥物遞送期間示例性微針的示意圖。
[0044] 圖18A-18D所示的示意圖顯示了示例性微針陣列裝置組件的處理步驟。
[0045] 圖19A和19B顯示了碳纖維電極的陣列和單個(gè)碳纖維電極的光學(xué)圖。
[0046] 圖20A和20B顯示了示例性中空微針陣列的SEM圖。
[0047] 圖21A顯示了施用示例性微針陣列后的皮膚的圖像。
[0048] 圖21B和圖21C顯示了中空微針在插入皮膚之前和之后的光學(xué)顯微圖。
[0049] 圖22A和22B顯示了示例性中空微針陣列的SEM圖。
[0050] 圖23顯示了 KC1相對Ag/AgCl參比電極和Pt反電極中鐵氰化物的循環(huán)伏安掃描 數(shù)據(jù)圖。
[0051] 圖24顯示了過氧化氫相對Ag/AgCl參比電極和Pt反電極的循環(huán)伏安掃描數(shù)據(jù) 圖。
[0052] 圖25顯示了緩沖溶液和緩沖液中的抗壞血酸相對Ag/AgCl參比電極和Pt反電極 中的伏安掃描數(shù)據(jù)圖。
[0053] 圖26A和26B顯示了未包裝的和Rh-碳糊包裝的微針陣列的光學(xué)顯微圖。
[0054] 圖27A和27B顯示了陣列的未包裝的和Rh-碳糊包裝的微針構(gòu)件的SEM圖。
[0055] 圖28A顯示了銠分散的碳糊微針電極處的緩沖劑和過氧化氫的流體力學(xué)伏安圖。
[0056] 圖28B顯示了使用示例性銠分散的碳糊微針電極獲得的計(jì)時(shí)電流圖。
[0057] 圖29顯示了獲得的過氧化氫濃度的校正曲線圖。
[0058] 圖30A顯示了獲得的乳酸鹽的計(jì)時(shí)電流圖。
[0059] 圖30B顯示了獲得的乳酸鹽濃度的校正曲線圖。
[0060] 圖31所示的計(jì)時(shí)電流圖顯示了生理相關(guān)電活性干擾物的效應(yīng)。
[0061] 圖32所示的數(shù)據(jù)圖顯示了用于乳酸鹽檢測的示例性微針陣列的電化學(xué)響應(yīng)的穩(wěn) 定性。
[0062] 發(fā)明的詳細(xì)描述
[0063] 本文公開了使用基于微針陣列的生物傳感器和驅(qū)動器在生物體中檢測分析物和 遞送治療化合物的技術(shù)、系統(tǒng)和裝置。
[0064] 在一個(gè)方面，本申請的技術(shù)包括使用能穿透生物組織表面的微尺度結(jié)構(gòu)的陣列來 檢測組織液和/或細(xì)胞外液中的某些生物標(biāo)志物的變化的裝置。通過檢測此類變化，所述 裝置可以用于監(jiān)測疾病、病患和急性損傷以及其他病癥的進(jìn)展。例如，這可以通過用電化學(xué) 轉(zhuǎn)換器裝載微結(jié)構(gòu)來實(shí)施，所述微結(jié)構(gòu)采用微尺度針的形式，例如，也稱為微針、微探針、電 極或探針，其可以具有針對生物化學(xué)和生理分析物（例如，生物化學(xué)物質(zhì)、代謝物、電解質(zhì)、 離子、病原體、微生物等）的不同的化學(xué)功能。例如，裝置可以采用各種電化學(xué)技術(shù)，直接在 微針/流體界面處進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，并將生物化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號（例如，伏安法、電勢 法、安培法、電導(dǎo)法和/或阻抗法），然后可以進(jìn)一步處理電信號。例如，陣列中的每個(gè)微針 可以被配置為能檢測不同的分析物，且可以進(jìn)行多路復(fù)用而被一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)部分處理， 例如，微針元件的N-陣列，其中每個(gè)元件N1感應(yīng)葡萄糖，N2感應(yīng)乳酸鹽，元件N3感應(yīng)脂肪 酸等，并且可以使用伏安、電勢、安培、電導(dǎo)和/或阻抗技術(shù)中的任一或所有轉(zhuǎn)換每種分析 物。
[0065] 裝置還可以用于實(shí)施治療干預(yù)，其利用微針在施用微針的具體局部區(qū)域處，將化 學(xué)劑（例如，藥物）以受控方式釋放至流體中?？梢皂憫?yīng)于急性事件或基于慢性病癥來實(shí) 施目的性治療干預(yù)的遞送，例如，通過裝置的感應(yīng)部分進(jìn)行監(jiān)測。微針陣列可以配置為與通 透性可調(diào)的傳導(dǎo)性聚合物材料聯(lián)合，以控制聚合物的孔隙度。例如，裝置可以被配置為包括 一個(gè)或多個(gè)容納化學(xué)劑的貯庫，所述化學(xué)劑與位于微針陣列的貯庫和基底之間的通透性可 調(diào)傳導(dǎo)性聚合物材料相聯(lián)。在一定的電化學(xué)刺激下，聚合物材料可以選擇性地成為多孔的 (例如，改變聚合物材料的孔隙度），其可以有效用作能夠選擇性開放或關(guān)閉的閥門，以通 過微針（腔）從貯庫運(yùn)輸化學(xué)劑并于隨后運(yùn)輸至組織液中。化學(xué)劑釋放機(jī)制通過電化學(xué)方 式實(shí)現(xiàn)，例如，不需要可移動部分或微電子機(jī)械（MEMS)元件。
[0066] 可以使用整合的邏輯系統(tǒng)或處理單元控制示例性裝置的治療部分的驅(qū)動，所述邏 輯系統(tǒng)或處理單元可以基于來自示例性裝置的感應(yīng)部分的反饋來提供電刺激。例如，示例 性裝置的感應(yīng)部分可以連續(xù)監(jiān)測與指示疾病、病患和急性損傷或其他病癥的正常功能或功 能障礙相關(guān)的具體分析物的濃度水平（例如，基于平均水平、最大或最小閾值水平等的波 動），并將檢測到的與分析物相關(guān)的生物化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號?？梢允褂锰幚韱卧幚?電信號，處理單元可以至少包括處理器和與處理器相聯(lián)的存儲器。例如，存儲器可以編碼 一個(gè)或多個(gè)程序，所述程序能使處理器運(yùn)行本專利文件中描述的一種或多種方法行為，例 如，包括儲存所檢測的信號、針對其他儲存值（例如，指示健康或功能失常狀態(tài)的分析物閾 值）分析檢測到的和/或儲存的信號，和/或確定是否使用示例性裝置的治療部分釋放化 學(xué)劑。例如，處理單元可以確定檢測的分析物水平已超過存儲器中儲存的閾值，并隨后激活 所述驅(qū)動器，從而響應(yīng)于測定的分析物水平而釋放藥物。例如，這可以通過施加合適的氧化 還原電勢來實(shí)施，示例性裝置能夠通過改變基質(zhì)的固有孔隙度以可逆方式"打開"和"關(guān)閉" 所述聚合物，從而引起藥物從體表貯庫直接流至透皮液體中。多元/多路復(fù)用藥物遞送能 夠以獨(dú)特的方式用于實(shí)施治療，其中可以在陣列的每個(gè)微針構(gòu)件處遞送藥物。例如，由于微 針結(jié)構(gòu)的陣列特性，可以實(shí)現(xiàn)多元/多路復(fù)用藥物遞送，并且可以在陣列的每個(gè)微針構(gòu)件 處檢測獨(dú)特的分析物，或者可以通過針中的電極陣列在每個(gè)單獨(dú)的針處檢測多種分析物。 此外，示例性系統(tǒng)的陣列特性可以使得裝置能夠調(diào)配藥物混合物，以緩解各種形式的損傷/ 創(chuàng)傷。此外，通過調(diào)節(jié)所施加的氧化還原電勢選擇性控制膜孔隙度的能力可意味著，可以通 過整合的生物傳感器和/或邏輯門感應(yīng)和處理單元根據(jù)需要控制流速和給藥劑量。
[0067] 在一些實(shí)例中，可以通過對皮膚施用示例性微針裝置經(jīng)皮實(shí)施所述微針生物傳感 器-驅(qū)動器技術(shù)。在其他實(shí)例中，可以在體內(nèi)將所述微針生物傳感器-驅(qū)動器技術(shù)實(shí)施至 身體內(nèi)的其他器官，例如，包括肝、眼鞏膜等。在所公開技術(shù)的生物傳感功能的實(shí)例中，裝置 可以包括整合在皮膚粘合式貼片上的微針傳感器-驅(qū)動器陣列，并可以施用至生物皮膚以 經(jīng)皮監(jiān)測生理和生物化學(xué)參數(shù)（例如，葡萄糖）。在血糖監(jiān)測的實(shí)例中，可以將微針用包埋 在傳導(dǎo)性聚合物中的葡萄糖氧化酶（一種生物催化劑）功能化，例如，其中電極組件為傳導(dǎo) 性的和功能化的（例如，包被的），以包括生物催化劑。通過向皮膚施用貼片，微針穿透皮 膚，使得細(xì)胞外液（例如，血液）能夠擴(kuò)散至微針中。隨著葡萄糖擴(kuò)散進(jìn)入，生物催化劑可 以轉(zhuǎn)化葡萄糖底物為葡萄糖酸。同時(shí)，由于葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸為氧化-還原（氧化還 原）反應(yīng)（例如，氧化葡萄糖），血液中天然存在的氧和水也發(fā)生還原，形成過氧化氫。過氧 化氫為電化學(xué)活性物質(zhì)，其可以在電極處的一定電勢下氧化或還原。例如，這可以經(jīng)安培法 進(jìn)行，其中施加電勢并監(jiān)測電流，或經(jīng)伏安法進(jìn)行，其中改變電勢并監(jiān)測電流變化。例如，當(dāng) 過氧化氫在施加電勢的電極處改變時(shí)，監(jiān)測相應(yīng)的電流變化作為電信號，其還可以使用信 號處理技術(shù)加以處理。
[0068] 在一個(gè)實(shí)施方案中，用于檢測分析物和遞送治療化合物的侵入性最低化的多組件 微針裝置可以包括與電極相聯(lián)的微針陣列，例如，電極可以為化學(xué)功能化的、酶功能化的和 /或離子選擇性電極，以進(jìn)行多路復(fù)用感應(yīng)并以自發(fā)性的、侵入性最低化和受控的方式驅(qū)動 應(yīng)用。
[0069] 圖1A和1B顯示了基于帶有探針的中空針的示例性裝置的示意圖。圖1A顯示了 示例性微針陣列裝置100的示意圖，圖1B顯示了未裝配的裝置的示例性示意圖。微針陣 列100包括中空的微尺寸的針101陣列，其中每個(gè)針101包括突起的針結(jié)構(gòu)和探針102,所 述突起的針結(jié)構(gòu)具有形成中空內(nèi)部的外壁和位于突起的針結(jié)構(gòu)末端的、暴露中空內(nèi)部的開 口，探針102形成于外壁內(nèi)部，用于與通過所述開口接觸探針102的一種或多種化學(xué)或生物 物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生探針信號（例如，感應(yīng)信號）。
[0070] 圖1C顯示的示例性微針陣列100包括線103的陣列，其分別與中空針101陣列的 相應(yīng)的探針102相聯(lián)，例如，其能提供可單獨(dú)訪問的微針感應(yīng)電極陣列。線103的陣列可以 配置在基底105中（例如，絕緣材料），在一些實(shí)例中，基底105可以為柔性的并可粘合至生 物組織。線103陣列的每根線都為導(dǎo)電性的，以將各個(gè)探針產(chǎn)生的探針感應(yīng)信號傳輸至傳 感器回路，在傳感器回路中探針感應(yīng)信號得到處理。
[0071] 圖1D顯示了通過掃描電子顯微鏡成像的示例性微針的圖。圖1E顯示了示例性微 針陣列圖，其旁邊放有物體，如一美分硬幣或印刷電路板上的電路，以提供示例性微針陣列 的尺寸大小。圖1F顯示了示例性微針陣列圖像的放大圖。
[0072] 基于示例性微針陣列的傳感器驅(qū)動器裝置可以涉及微型品制造、電化學(xué)、酶固定 化電極和離子選擇性電極技術(shù)?？梢詫㈦妱?、伏安、安培、導(dǎo)電和/或阻抗檢測方法整合至 一個(gè)全包括平臺，例如，為了能夠?qū)崿F(xiàn)存在于體液中的多種分析物（例如，占據(jù)透皮流體的 關(guān)鍵生物標(biāo)志物）的直接生物傳感。例如，為了透皮監(jiān)測關(guān)鍵生理和生化參數(shù)，可以將微針 陣列平臺整合至放置于皮膚上的粘合式貼片?？梢詫⑹纠哉澈鲜劫N片進(jìn)一步與電子元件 整合，以允許通訊和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。例如，因?yàn)榭赏ㄟ^電化學(xué)方式將化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電子范圍， 可以將該裝置與電子讀數(shù)器相聯(lián)，例如，其可以類似于連續(xù)監(jiān)測血糖的裝置。以這種方式， 例如，所公開的技術(shù)可以將多種基于實(shí)驗(yàn)室的測試小型化并整合至單陣列的微針感應(yīng)平 臺，并提供以受控和最低限度侵入性的方式遞送自發(fā)性治療干預(yù)以及調(diào)整用于不同形式的 損傷/創(chuàng)傷的藥物混合物能力。
[0073] 圖1G-1I顯示了位于施用于生物體上的粘合式貼片上的示例性微針陣列裝置圖。 圖1G顯示了采用微針陣列傳感器-驅(qū)動器裝置的示例性粘合式貼片施加于人手臂上的圖。 圖1H顯示了采用微針陣列傳感器-驅(qū)動器裝置的另一示例性粘合式貼片施加于動物上的 圖。圖II顯示了從動物皮膚去除粘合式貼片后的示例性裝置的放大圖，例如，顯示示例性 微針完整。
[0074] 所公開的生物傳感器-驅(qū)動器技術(shù)可以用于提取相關(guān)的生理信息，并基于檢測到 的生理和生化信息提供受控的治療應(yīng)答。圖1J顯示了"感應(yīng)-作用-治療"反饋環(huán)路的示 例性圖，其中感應(yīng)到的信息被用于控制驅(qū)動器調(diào)整藥物遞送。來自感應(yīng)操作的信息能實(shí)現(xiàn) 根據(jù)感應(yīng)到的信息調(diào)整藥物遞送。圖1J中的生物傳感器-驅(qū)動器裝置180可以包括微針 (例如，其能夠以如同示例性微針陣列100的方式配置）的多路復(fù)用陣列，其中陣列的一些 微針被配置為用于感應(yīng)，陣列的其他微針被配置為用于治療干預(yù)。
[0075] 如圖1J中所示的"感應(yīng)-作用-治療"反饋環(huán)路包括生物傳感器-驅(qū)動器裝置180 的感應(yīng)部分，以提取來自生物流體（例如，透皮流體）的分析物的生理信息。示例性感應(yīng)特 征可以包括可單獨(dú)訪問的微針，其被功能化為電化學(xué)傳感器，能夠檢測生物標(biāo)志物變化的 模式，例如，急性病癥或慢性病癥?？梢栽诟袘?yīng)陣列中的每個(gè)微針處檢測單獨(dú)的分析物，或 可以通過容納于一個(gè)微針中的幾個(gè)電極檢測多種分析物。例如，可以將各種催化劑、生物催 化劑、底物、試劑、輔因子和/或輔試劑固定在傳感器中，以賦予針對目標(biāo)分析物的選擇性。 同樣地，離子選擇性膜（或固態(tài)離子選擇性組件）可以用于電化學(xué)測量，以賦予針對目標(biāo)離 子的選擇性。在一些實(shí)例中，生物傳感器-驅(qū)動器裝置180的感應(yīng)部分還可以包括用于直接 處理感應(yīng)到的分析物信息的分析物邏輯門（logic-gate)感應(yīng)，如示例性圖170中所示。例 如，圖170顯示了分析物感應(yīng)邏輯的兩個(gè)示例性輸入（例如，輸入1和輸入2)，其中輸入1 為產(chǎn)生于被配置為能檢測第一反應(yīng)的微針探針的檢測信號，輸入2為產(chǎn)生于被配置為能檢 測第二反應(yīng)的另一微針探針的檢測信號。圖170顯示了通過邏輯門（例如，在本實(shí)例中為 單個(gè)NAND門）的兩個(gè)示例性輸入信號，其中邏輯門的輸出可以用作信號以控制微針驅(qū)動器 (例如，其中邏輯門輸出信號與示例性傳導(dǎo)性聚合物相聯(lián)，以控制貯庫中貯存的藥物的孔隙 度）。在其他的實(shí)例中，感應(yīng)到的分析物信息可以通過處理單元進(jìn)行處理。
[0076] 例如，軟組織損傷（STI)的輸入生物標(biāo)志物可以包括作為生物催化級聯(lián)的事件的 肌酸激酶（CK)和乳酸脫氫酶（LDH)，并能分別代表輸入1和輸入2,如圖170中所示。例如， CK將肌酸底物轉(zhuǎn)化為磷酸肌酸，其同時(shí)造成該化合物將ATP轉(zhuǎn)化為ADP。在磷酸烯醇丙酮 酸（PEP)存在下，丙酮酸激酶（PK)能夠產(chǎn)生丙酮酸酯。如果存在乳酸脫氫酶，丙酮酸酯能 夠被轉(zhuǎn)化為乳酸鹽，NADH同時(shí)被氧化為NAD+。因此，能夠以安培法形式監(jiān)測NADH隨時(shí)間的 減少。例如，因?yàn)閮HCK和LDH同時(shí)存在能引起NADH的相伴減少，因此利用示例性生物傳感 器-驅(qū)動器裝置180監(jiān)測輸入1和輸入2能夠有效地發(fā)揮NAND布林（Boolean)邏輯門的 作用。
[0077] 如圖1J所示的"感應(yīng)-作用-治療"反饋環(huán)路包括處理單元175的示例性圖，其 用以處理感應(yīng)到的分析物信息，將其用作數(shù)據(jù)并采用邏輯和/或指令控制生物傳感器-驅(qū) 動器裝置180的驅(qū)動器部分釋放治療劑、不釋放治療劑或調(diào)整治療劑釋放。例如，處理單元 175可以包括處理器和與處理器相聯(lián)的存儲器。處理單元175可以包括電源，例如，包括電 池源、可再生能源（例如，太陽能）或自供能源（例如，運(yùn)動反饋能源）。處理單元175可 以包括與處理器和存儲器相聯(lián)的輸入/輸出（I/O)單元，其還可以連接至外部接口、數(shù)據(jù)存 儲源或顯示裝置?？梢杂门c常規(guī)數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容的各種類型的有線或無線接口實(shí)現(xiàn)I/O 單元，例如，包括但不限于，通用串行總線（USB)、IEEE1394(火線）、藍(lán)牙、IEEE802. 111、無 線局域網(wǎng)（WLAN)、無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN)、無線廣域網(wǎng)（WWAN)、WiMAX、IEEE802. 16(全球微 波接入互操作性（WiMAX))和并行接口。例如，處理單元175的I/O單元可以利用有線配置 與生物傳感器-驅(qū)動器裝置180通訊。在其他的實(shí)例中，處理單元175的I/O單元可以包 括無線通訊功能，以從感應(yīng)部分接收數(shù)據(jù)，并傳輸對照數(shù)據(jù)至生物傳感器-驅(qū)動器裝置180 的驅(qū)動器部分。在此類實(shí)例中，生物傳感器-驅(qū)動器裝置180可以包括基底上的或遠(yuǎn)程連 接（例如，利用線）于基底的無線傳輸器/接收器，以便于傳感器-驅(qū)動器微針陣列的運(yùn) 行。在此類實(shí)例中，無線傳輸器/接收器可以相聯(lián)有多路復(fù)用能力，從而多路復(fù)用感應(yīng)信號 并控制傳輸和接受的信號。
[0078] 如圖1J所示的"感應(yīng)-作用-治療"反饋環(huán)路包括生物傳感器-驅(qū)動器裝置180 的驅(qū)動器部分，從而基于所處理的分析物信息（通過感應(yīng)部分感應(yīng)到的）將一種或多種藥 物遞送至微針?biāo)┩傅膮^(qū)域。示例性藥物遞送特征可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)于檢測到的急性或慢性病 癥的目的性治療干預(yù)的自發(fā)性遞送。例如，傳導(dǎo)性聚合物納米驅(qū)動器的通透性可以通過自 發(fā)性孔隙度改變進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述孔隙度改變改變受整合的感應(yīng)或酶邏輯系統(tǒng)（例如，通過 處理單元175處理）控制，其隨后能夠控制藥物釋放，如圖1J的藥物遞送驅(qū)動器的圖185 中所示。圖185表明，0代表的處理信號不啟動藥物釋放（例如，示例性傳導(dǎo)性聚合物的孔 隙度保持有效封閉狀態(tài)）。圖185還表明，1代表的處理信號能啟動藥物釋放（例如，示例 性傳導(dǎo)性聚合物的孔隙度被觸發(fā)為開放狀態(tài)，從而允許藥物通過聚合物的孔并離開微針進(jìn) 入組織液）。陣列式微針結(jié)構(gòu)可以允許多元/多路復(fù)用藥物遞送，并且可以在陣列的每個(gè)微 針組件處遞送特定的治療劑，如圖1K和1L中所示。
[0079] 圖1K顯示了示例性微針陣列傳感器-驅(qū)動器180的圖，其特征為具有用于監(jiān)測 不同的功能障礙的可單獨(dú)訪問的微針和用于響應(yīng)于檢測的功能障礙而遞送治療劑的可單 獨(dú)訪問的微針。如圖1K中所示，生物傳感器-驅(qū)動器裝置180的圖包括陣列中被配置用 于感應(yīng)的微針（例如，微針181a、181b和181c)和陣列中被配置用于治療干預(yù)的其他微針 (例如，微針181d、181e和181f)。在本實(shí)例中，微針181a被配置為用于感應(yīng)與軟組織損傷 (STI)相關(guān)的分析物，微針181b被配置為用于感應(yīng)與創(chuàng)傷性腦損傷（TBI)相關(guān)的分析物，微 針181c被配置為用于感應(yīng)與腹部創(chuàng)傷（ABT)相關(guān)的分析物。另外在本實(shí)例中，微針181d 被配置為用于遞送與治療STI相關(guān)的藥物，微針181e被配置為用于遞送與治療TBI相關(guān)的 藥物，微針181f被配置為用于遞送與治療ABT相關(guān)的藥物。
[0080] 例如，可以檢測的（例如，利用傳感器-驅(qū)動器180)與STI相關(guān)的示例性分析物 包括肌酸激酶、乳酸鹽和乳酸脫氫酶；例如，利用糖皮質(zhì)激素、NSAID予以緩解。可以檢測的 與TBI相關(guān)的示例性分析物包括谷氨酸鹽、血漿酮藍(lán)蛋白；例如，利用醋氨酚予以緩解。可 以檢測的與ABT相關(guān)的示例性分析物包括乳酸鹽、乳酸脫氫酶；例如，利用乙酰水楊酸或異 丁基丙酚酸予以緩解。
[0081] 圖1L顯示了目的性治療混合物的多路復(fù)用受控釋放的示例性圖，例如，其中聚合 物驅(qū)動器對目的性治療干預(yù)的按需釋放為可單獨(dú)訪問的。圖1L的圖顯示了驅(qū)動器部分的 示例性微針（例如，微針182d、182e和182f)，其被配置為用于治療干預(yù)。在本實(shí)例中，微針 182d被配置為用于貯存于貯庫1中的藥物183的受控釋放，微針182e被配置為用于貯存于 貯庫2中的藥物183e的受控釋放，微針182f被配置為用于貯存于貯庫3中的藥物183f的 受控釋放。例如，基于從處理單元接收到的對照信號（例如，如圖1L的圖185中所示），可 以控制（例如，利用多路復(fù)用）藥物183d、183e和/或183f中的任何或所有的釋放，以產(chǎn) 生目的性治療混合物，例如，其中可單獨(dú)訪問的聚合物驅(qū)動器以這樣的方式啟動，其能夠控 制孔隙度大小（例如，并從而控制流動），以及開放狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以控制每種所釋放的 藥物的濃度。
[0082] 圖2A-2C顯示了示例性微針陣列條系統(tǒng)200的圖。在本實(shí)例中，系統(tǒng)可以包括扁 平柔性電纜（FFC) 210,其包括使微針陣列與接頭區(qū)域218互相連接的多個(gè)導(dǎo)體211 (例如， 10個(gè)銅導(dǎo)體），例如，其中導(dǎo)體211可以為1.5"長，并例如，通過零插入力（ZIF)接頭相聯(lián) (例如，右端（再）連接）至線路板。例如，示例性微針陣列條系統(tǒng)可以配置于FFC上，F(xiàn)FC 大小為11.0mmX38. 1mm?？梢岳眉す鉄g技術(shù)在左端開孔以暴露下面的跡線。金屬電 極，例如，4個(gè)工作電極202和1個(gè)反電極207以及一個(gè)或多個(gè)參比電極206,可以溉鍍于表 面開口上。4個(gè)排放型射流小室215可由帶有壓敏粘合劑的激光燒蝕的聚酯薄膜（Mylar) 制得。粘合層還可以將微針陣列相聯(lián)至FFC。圖2A顯示了微針陣列條系統(tǒng)200的俯視圖。 圖2B顯示了微針陣列條系統(tǒng)200的三維圖。圖2C顯示了插入至線路板接頭219的微針陣 列條系統(tǒng)200的另一三維圖。
[0083] 在另一實(shí)例中，可單獨(dú)訪問的電極（微針）可以裝載上碳糊、碳纖維或傳導(dǎo)性聚合 物轉(zhuǎn)換器，并用于檢測反應(yīng)最佳健康狀況和/或表現(xiàn)的生物標(biāo)志物變化模式。使用電勢法、 安培法或伏安法，可以將各種催化劑、生物催化劑、底物、試劑、輔因子和/或輔試劑固定在 轉(zhuǎn)換器內(nèi)，以賦予針對目標(biāo)分析物的選擇性。同樣地，采用離子選擇性膜（或固態(tài)離子選擇 性組件）可以用于電化學(xué)測量，以賦予針對目標(biāo)離子的選擇性。可以通過監(jiān)測多種生物標(biāo) 志物和測量這些種類的動態(tài)模式獲得大量的預(yù)測和診斷信息，作為對象的整體健康/表現(xiàn) /適宜性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。可以將多種生物標(biāo)志物模式整合，并可以評價(jià)那些標(biāo)志物在較長的時(shí) 間段的變化，以提供除大量的疾病和病癥外的壓力和訓(xùn)練過度的負(fù)作用的更詳細(xì)和精確的 時(shí)間特性。
[0084] 例如，將微針設(shè)置為陣列可以允許測量多種生物分析物的模式。此外，可以通過穩(wěn) 定的方式固定一種或多種分析物，如催化劑/生物催化劑或其他分析物或生物標(biāo)志物，所 述方式包括電聚合/聚合物包埋、靜電相互作用、共價(jià)連接和和直接吸附。在一個(gè)實(shí)例中， 平面固態(tài)轉(zhuǎn)換器可以為電極，例如，利用碳纖維、碳糊和傳導(dǎo)性聚合物形成電化學(xué)轉(zhuǎn)換器。
[0085] 示例性裝置能夠以下述方式使用?？梢圆捎猛钙の⑨橁嚵?；每個(gè)微針構(gòu)件可以包 括有孔的空圓柱體，其中容納三電極電化學(xué)感應(yīng)元件（例如，電勢、伏安、安培、導(dǎo)電、阻抗 等感應(yīng)元件）。在一個(gè)實(shí)例中，可以將酶（對具體生物化學(xué)部分具有親和力）固定于三電極 部分的工作電極上，并可以進(jìn)行電流分析。在另一實(shí)施例中，可以將離子選擇性膜（具有合 適的離子載體）或固態(tài)官能化應(yīng)用于工作電極，并進(jìn)行電勢或電壓測量。目標(biāo)分析物、代謝 物、電解質(zhì)或離子的存在分別可以引起檢測的電流（酶電極）或電勢（離子選擇性電極） 的波動。
[0086] 圖3A-3C顯示了利用個(gè)體微針、電化學(xué)陣列條上不同生物標(biāo)志物的多路復(fù)用檢測 的示例性結(jié)果的數(shù)據(jù)圖。圖3A顯示了 pH的多路復(fù)用檢測的數(shù)據(jù)圖；圖3B顯示了乳酸鹽的 多路復(fù)用檢測的數(shù)據(jù)圖；圖3C顯示了葡萄糖的多路復(fù)用檢測的數(shù)據(jù)圖。
[0087] 圖4A和4B顯示了能通過與裝置的背面匹配的微電極陣列訪問的示例性個(gè)體微針 微傳感器。例如，可以利用多種技術(shù)制造陣列，包括光刻、噴墨印刷和絲網(wǎng)印刷，以及其他技 術(shù)。圖4A顯示了絲網(wǎng)印刷的微針陣列的一個(gè)實(shí)例，圖4B顯示了通過模板印制方法確定圖 案而制造的微針陣列。
[0088] 在所公開技術(shù)的另一實(shí)施方案中，描述了用于電化學(xué)監(jiān)測和生物傳感的最低限度 侵入性的多組件微針裝置。該實(shí)施方案可以包括如同先前描述的那些的相同的實(shí)施方案， 并因此可以在一個(gè)實(shí)施方案中實(shí)施各個(gè)實(shí)施方案的全部功能。例如，可以實(shí)施本文公開的 技術(shù)，以用于興奮神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸鹽和葡萄糖的電化學(xué)監(jiān)測和生物傳感。在該示例性實(shí)施 方案中，裝置可以包括緊密集成至容納多個(gè)微腔的單個(gè)生物傳感器陣列裝置中的實(shí)心和中 空微針。此類微腔可以便于每個(gè)微凹部中的識別酶的電聚合包埋。得到的微針生物傳感器 陣列可以用作最低限度侵入性的體表透皮貼片，例如，去除生物流體的提取/收集，從而簡 化裝置要求。
[0089] 進(jìn)行了示例性實(shí)施以展示裝置的各種功能，例如，包括聚（鄰苯二胺）（PPD)薄膜 中的谷氨酸氧化酶和葡萄糖氧化酶的電聚合包埋。例如，基于PPD的酶包埋方法可以實(shí)現(xiàn) 有效排斥共存的電活性干擾物，而不破壞裝置的敏感性或反應(yīng)時(shí)間。得到的基于微針的 谷氨酸鹽和葡萄糖生物傳感器可以在緩沖液和未處理的人血清中展現(xiàn)高選擇性、靈敏性、 速率和穩(wěn)定性。例如，在未稀釋的人血清中獲得了高精度谷氨酸鹽的測量值（例如，低至 ΙΟμΜ水平）。示例性凹部設(shè)計(jì)還可以在插入皮膚后保護(hù)酶層。所述穩(wěn)定的微針設(shè)計(jì)可以 良好地適應(yīng)實(shí)時(shí)代謝物監(jiān)測為核心需求的不同的生物傳感應(yīng)用。
[0090] 示例性基于微針的谷氨酸鹽和葡萄糖生物傳感器以這樣的方式實(shí)施，其通過最低 程度侵入性的電化學(xué)生物傳感器展示用于相關(guān)生物分析物的體表監(jiān)測的微裝置的臨床應(yīng) 用。就這一點(diǎn)而言，微針陣列可以被配置為能提供無痛生物傳感，并且作為高度整合的生物 相容性裝置，這些裝置可以以工業(yè)規(guī)模、低成本制造。例如，所述微針陣列可以執(zhí)行監(jiān)測和 生物傳感應(yīng)用，而不涉及流體采樣/提取。例如，本申請的技術(shù)的一個(gè)特征為不需要提取體 液（例如，如透皮流體），而這在常規(guī)微流體感應(yīng)系統(tǒng)中是需要的。通過在微針-透皮流體 界面執(zhí)行電化學(xué)檢測，可以提取有用的化學(xué)信息并直接轉(zhuǎn)換為電子方式。以這種方式，可以 從實(shí)施中去除用于調(diào)控向檢測陣列/單獨(dú)的感應(yīng)單元的流體流動的復(fù)雜且昂貴的機(jī)械裝 置。
[0091] 示例性微針感應(yīng)陣列裝置可以采用基于凹部的微腔結(jié)構(gòu)，其可以設(shè)計(jì)為封閉識別 酶，并在穿透皮膚時(shí)對其進(jìn)行保護(hù)。例如，雙組件微針生物傳感器可以包括包被鉬的實(shí)心微 針的陣列，其可以用作工作電極，和中空微針蓋，其能夠提供圍繞每個(gè)實(shí)心微針的微腔。該 示例性雙組件微針生物傳感器顯示在圖5Α-?中。圖5Α-?還展示了制造示例性雙組件微 針生物傳感器的過程。
[0092] 圖5A顯示了雙組件微針電極500的示例性陣列的實(shí)心微針構(gòu)件501和中空微針 構(gòu)件503。實(shí)心微針構(gòu)件可以包被有傳導(dǎo)性材料以形成工作電極，例如，鉬工作電極502。圖 5A還顯示了組裝包被鉬的實(shí)心微針502與中空微針蓋503的方法。在一些實(shí)例中，組裝包 括施加密封劑（例如，環(huán)氧樹脂）于實(shí)心微針構(gòu)件501和中空微針構(gòu)件503之間非檢測性 的、非凹陷的區(qū)域。圖5B顯示了完全組裝的雙組件微針陣列電極500。如圖5B中所示，陣 列中的每個(gè)雙組件微針電極500包括有凹陷區(qū)，其暴露實(shí)心微針構(gòu)件501的針（例如，包被 鉬的電極502)，例如，以便凹部能便于酶固定。圖5C顯示了來自o-PD-GluOx溶液的鄰苯二 胺（〇-PD)單體的微針電極500的凹陷區(qū)中的實(shí)心微針表面處谷氨酸氧化酶（GluOx)功能 化的PH)膜504的制備。例如，制造雙組件微針電極500的陣列可以包括通過將微針浸入 o-PD-GluOx溶液中，將GluOx-Pro薄膜施加于鉬工作電極502。圖?顯示了電聚合的谷氨 酸氧化酶-聚（鄰苯二胺）膜504(以紫色展示）的生物催化行為，例如，從而實(shí)現(xiàn)透皮流 體中的谷氨酸鹽水平的定量。在這些示例性圖中，葡萄糖氧化酶（G0x)代替GluOx，用于葡 萄糖定量。
[0093] 基于凹部的微針電極500可以實(shí)現(xiàn)將酶電聚合包埋在個(gè)體微腔中。因此，可以實(shí) 現(xiàn)直接透皮生物傳感，而不需要提取透皮流體，例如，從而簡化裝置要求和感應(yīng)過程。微針 生物傳感器的雙組件凹部幾何學(xué)結(jié)構(gòu)還可以為用容納包埋的平面電極的微針的酶固定提 供較大的表面積。
[0094] 基于凹部的微針電極500可以包括電聚合的pro薄膜，其可以用于將酶封裝在小 型化電極轉(zhuǎn)換器中，例如，同時(shí)賦予顯著的選擇性通透特性和穩(wěn)定的反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)例中， pro可以用于包埋不同的氧化酶，如葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶和谷氨酸氧化酶，以及產(chǎn)生 的過氧化氫產(chǎn)物的選擇性通透檢測。由于其具有顯著的選擇性通透特性，pro膜可以通過 排除共存的電活性干擾物和體液中通常存在的蛋白而賦予高選擇性和穩(wěn)定性。所述生物傳 感器裝置（可以采用pro膜）因此能夠以高底物選擇性、優(yōu)秀的靈敏性、可操作的穩(wěn)定性和 快速的反應(yīng)時(shí)間促進(jìn)過氧化氫的電流測量檢測。以這種方式，當(dāng)相比基于如本文所述的其 他固定化技術(shù)的那些生物傳感器裝置時(shí)，所述采用酶功能化的pro膜的生物傳感器裝置可 以展現(xiàn)明顯的感應(yīng)優(yōu)勢。
[0095] 例如，為了說明所公開的雙組件微針陣列平臺的多功能性，展示了用于安培法谷 氨酸鹽生物傳感的示例性生物傳感器裝置。該示例性平臺隨后可以擴(kuò)展為用于糖尿病管控 的葡萄糖監(jiān)測。例如，興奮神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸鹽可參與多種病理醫(yī)學(xué)病癥，如缺血性神經(jīng)元損 傷、低血糖損傷、癲癇、阿爾茨海默氏病和外傷性腦損傷。另外，循環(huán)系統(tǒng)中增加的谷氨酸鹽 水平可能與興奮性中毒有關(guān)。血液谷氨酸鹽水平從健康患者的均值37. 5 μ Μ上升至患有顱 內(nèi)損傷相關(guān)的中度至重度創(chuàng)傷的患者的141. 3μΜ。鑒于此，血清谷氨酸鹽水平可以提供對 腦創(chuàng)傷后中樞神經(jīng)系統(tǒng)總體狀態(tài)的有用的深入了解。
[0096] 例如，所述的生物傳感平臺可以優(yōu)于以高度的侵入性定量谷氨酸鹽水平的生物傳 感器，例如，經(jīng)導(dǎo)管或微滲透探針提取腦脊液（CSF)用于進(jìn)一步分析。還例如，所述的生物 傳感平臺可以優(yōu)于通常在醫(yī)院環(huán)境中臨床實(shí)施的生物傳感器，例如，因?yàn)榇祟惻R床分析可 能是讓人感到疼痛的、耗時(shí)的和昂貴的操作。另外，所述的生物傳感平臺可能易于體表連續(xù) 監(jiān)測，尤其是當(dāng)獲取CSF不可行時(shí)。因?yàn)檠汗劝彼猁}水平與CSF中的水平相關(guān)性良好，因 此在所公開的實(shí)施方案下不需要從該難于獲取的體液提取谷氨酸鹽。
[0097] 所述的生物傳感器裝置的示例性展示涉及谷氨酸氧化酶（GluOx)和葡萄糖氧化 酶（g〇x)，可以利用不同的pro制備方法將它們包埋在示例性微針裝置的微腔中，每種方法 具有其自身的特殊優(yōu)勢，可以調(diào)整用于具體應(yīng)用?；趐ro將酶封閉于微針的腔中可以實(shí) 現(xiàn)有效定量緩沖溶液和未稀釋的人血清中的病理生理學(xué)水平的谷氨酸鹽和葡萄糖。例如， 示例性裝置的最低程度侵入性特性聯(lián)合其實(shí)現(xiàn)酶包埋和保護(hù)的便利方式，以及其吸引人的 電分析性能，能夠展示出其作為實(shí)用的貼片型體表生物傳感器的實(shí)用性。
[0098] 提供了實(shí)施所公開的技術(shù)的實(shí)施方案的示例性材料和方法。以下化學(xué)物和試 劑被用于描述的實(shí)施方案中，其包括來自大腸桿菌（E.coli)(重組體）的谷氨酸氧化 酶（GluOx, E.C. 1.4. 3. 11)、來自黑曲霉（Aspergillus niger)的葡萄糖氧化酶（G0x，E. C. L L3.4)、l，2-苯二胺（o-Pd)、L-谷氨酸（GLU)、D-(+)_ 葡萄糖（GLC)、L-抗壞血酸 (AA)、尿酸（UA)、L-半胱氨酸（CYS)、乙酰氨酚（ACT)、硫酸鈉、乙二胺四乙酸（EDTA)、一元 磷酸鉀、二元磷酸鉀和來自男性（AB型）的血清。示例性實(shí)施方式（除了血清校準(zhǔn)）在含 0. 5mM EDTA的0. 1M磷酸鹽緩沖液（pH7. 40)中進(jìn)行。所有示例性實(shí)施方式中均采用超純水 (18. 2ΜΩ · cm)。
[0099] 用于所述實(shí)施方案的儀器包括如下，其在本文公開的示例性條件下用于所公開實(shí) 施方案的示例性演示和實(shí)施。CH儀器（Austin，TX) 1232A型電化學(xué)分析儀被用于電化學(xué) 測量。外部Ag/AgCl參比電極（CH儀器CHI111)和0. 5mm直徑的鉬線反電極（BASi，West Lafayette，IN)被用于建立三電極電化學(xué)系統(tǒng)。伏安和計(jì)時(shí)電流研究被用于評價(jià)微針陣列 電極在室溫（22°C )下的電化學(xué)特性。在這些示例性電化學(xué)實(shí)施中，為了獲得所需濃度，將 谷氨酸鹽（或葡萄糖）加入至2mL的磷酸鹽緩沖液溶液或血清（攪拌）中。在施加電勢步驟 后15s對計(jì)時(shí)電流采樣。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM) (Philips XL30, Amsterdam，the Netherlands)檢查雙組件微針陣列的形態(tài)。在SEM分析前，使用溉射儀器（Energy Beam Sciences Emitech Κ575Χ，Ε· Granby, CT)將樣品包被上鉻。施加130mA的沉積電流30s，以 在樣品表面上沉積?15nm的鉻。
[0100] 以下述方式開發(fā)用于示例性實(shí)施的示例性實(shí)心和中空微針陣列。使用CAD軟件 制作微針設(shè)計(jì)，例如，Solidworks(Dassualt Systemes S.A.，Velizy, France)。用 Magics RP13 (Materialise NV, Leuven, Belgium)制作基底支持結(jié)構(gòu)。例如，將實(shí)心針設(shè)計(jì)和制 造為錐形，并具有390± 14 μ m的底座直徑和818±35 μ m的高度。中空針為金字塔形，具 有三角形底座。每個(gè)中空微針的尺寸如下：邊長1174±13μπκ高1366±15μπι，金字塔結(jié) 構(gòu)的一個(gè)面上的垂直的圓柱形孔直徑為342±5 μ m。實(shí)心和中空針均以2mm間隔設(shè)置為 3X3方形陣列。微針陣列的基底范圍為10mmX 10mm，實(shí)心和中空變型分別具有2000 μ m和 500 μ m的厚度值。三維計(jì)算機(jī)模型被移送至Perfactory? SXGA標(biāo)準(zhǔn)uv原型快速設(shè)計(jì)系 統(tǒng)（EnvisionTEC GmbH, Gladbeck, Germany)以用于制造。該系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)模型來精確引 導(dǎo)來自150W鹵素?zé)襞莸墓庵量晒夤袒牧仙?，例如，引起所暴露材料的選擇性聚合。在一 些方面，基于Eshell200丙烯酸酯的聚合物（EnvisionTEC GmbH)可以用作制造微針陣列 的組成性材料，因?yàn)闃渲诳梢姽庀逻x擇性聚合并展現(xiàn)3050±90MPa的彈性楊氏模量。此 夕卜，聚合物特征為按照IS010993的Ila類生物相容性。具有0度傾斜的550mW輸出功率束 (步長=50 μ m)被用于樹脂聚合。在制造程序后，用異丙醇沖洗陣列以去除未聚合的材料。 將陣列放置于Otoflash后固化系統(tǒng)（EnvisionTEC)中；并進(jìn)行構(gòu)建后固化50s。能夠以 10Hz重復(fù)率和248nm波長操作的Compex201氟化氪（KrF)準(zhǔn)分子激光器（Coherent, Santa Clara, CA)被用于燒蝕市購的高純度Pt祀標(biāo)。該過程使Pt薄膜（?12nm)沉積在實(shí)心微 針陣列表面上。在2min脈沖激光沉積（PLD)程序中，維持5μ托的背景壓力，在室溫下進(jìn) 行。
[0101] 可以將粘合性非傳導(dǎo)性環(huán)氧樹脂施加于實(shí)心微針基底周圍。然后，可以將中空微 針蓋置于實(shí)心微針基底上。該示例性方案圖示于圖5Α和5Β中。例如，可以將兩種組件 (例如，實(shí)心微針基底和中空微針蓋）置于光學(xué)顯微鏡下，以將實(shí)心微針對準(zhǔn)在中空微針孔 中。這可以形成雙組件微針陣列電極（ΒΜΑΕ)，如圖5C所示，例如，其可以與3mL注射器（BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ)匹配。例如，可以去除注射器的嘴部以便于連接BMAE, 可以使用粘合性環(huán)氧樹脂將BMAE粘合至注射器尖端，以便于操作。為了產(chǎn)生與Pt工作電 極的電接觸，隨后可以將銅線插入至注射器的開口端。可以從鄰苯二胺（ο-Pd)單體溶液電 聚合聚（鄰苯二胺）（PPD)膜，如圖5C所示，例如，用來將GluOx和G0x酶固定在電極表面 上并排斥潛在電活性干擾物。例如，可以在室溫下、用氮?dú)鈱⒑?0mM 〇_Pd、5mM硫酸鈉和 100U/mL G0x的0. 1M磷酸鹽緩沖液（pH7. 40)溶液清洗20分鐘，其可以用于形成G0x功能 化的電極。例如，然后可以將BMAE、Ag/AgCl參比電極和鉬反電極浸沒在該溶液中；然后可 以施加相對Ag/AgCl的0. 75V電勢20min，以生長出包埋G0x的PH)膜，如圖5C所示。該示 例性過程反映出了一種快速固定酶的方式，并且適于酶成本足夠低的應(yīng)用，以便可以將整 個(gè)電極浸沒在酶-〇-PD溶液中。
[0102] 在其他實(shí)例中，可以使用上述方法的輕微變型，例如，以在電聚合過程中的保留昂 貴的GluOx酶。在該示例性備選方法中，可以將BMAE、Ag/AgCl參比電極和鉬反電極浸沒 在含10mM o-Pd和5mM硫酸鈉的0. 1M磷酸鹽緩沖溶液（pH7. 40)中；并可在隨后施加相對 Ag/AgCl的0. 75V電勢5min。然后，可以在室溫下沖洗并干燥電極。然后可以將溶于0. 1M 磷酸鹽緩沖液（PH7. 40)的7. 5U/mL GluOx的0. 5 μ L小份溶液分配于BMAE的每個(gè)凹部中； 可以使用低滯留微量移液管在每個(gè)微針上再重復(fù)該步驟6次。在該過程后，可以允許溶液 在室溫下干燥。可以再重復(fù)該逐滴分配方案5次。隨后，可以將含10mM 〇-Pd、5mM硫酸鈉 和lU/mL GluOx的0. 1M磷酸鹽緩沖溶液（pH7.4)分配于微針陣列的每個(gè)微腔中。然后可 以施加相對Ag/AgCl的0. 75V電勢15min，以電聚合包埋GluOx的PH)膜。例如，雖然可以 為簡單起見在增加酶利用的情況下調(diào)整先前描述的方法，但該實(shí)施方案可以促進(jìn)較昂貴酶 的電聚合。
[0103] 在每個(gè)電聚合過程后，可以沖洗BMAE并浸沒于0. 1M磷酸鹽緩沖溶液（pH7. 4)中 30min，以從微針結(jié)構(gòu)去除單體殘留物以及任何未結(jié)合的酶。在不使用時(shí)，可以于4°C將 BMAE保存在磷酸鹽緩沖液中。該示例性方法（圖示在圖?中）可以實(shí)現(xiàn)谷氨酸鹽和葡萄 糖以及其他分析物的定量。
[0104] 所述微針陣列生物傳感器裝置的示例性實(shí)施包括評價(jià)BMAE的表面形態(tài)，進(jìn)行該 步驟是為了確定電極幾何學(xué)和表面特征。使用SEM進(jìn)行BMAE表面形態(tài)的近距離檢查。圖 6A顯示了實(shí)心微針陣列的示例性掃描電子顯微鏡圖。圖6B顯示了中空微針陣列的示例性 掃描電子顯微鏡圖。如SEM圖所示，示例性微針的特征與示例性計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件中指 定的那些特征密切對應(yīng)。例如，可以在微針陣列處觀察到實(shí)心和中空微針的一致分布。關(guān) 于示例性實(shí)心微針（圖6A)，能明顯觀察到棱狀結(jié)構(gòu)，其可以歸因于用于聚合E-shell200樹 脂的逐層方式?？梢栽谥锌瘴⑨橁嚵校▓D6B)的每個(gè)組件處觀察到一致的金字塔式結(jié)構(gòu)和 三角形基座，以及具有一致尺度分布的孔。觀察到的微針間幾何學(xué)差異非常小，甚至沒有。
[0105] 所述的微針陣列生物傳感器裝置的示例性實(shí)施包括雙組件微針電極對谷氨酸鹽 的安培檢測的電化學(xué)表征。BMAE最初的電化學(xué)表征旨在構(gòu)建流體力學(xué)伏安圖（HDV)，例如， 以選擇最佳檢測電勢。例如，可以利用計(jì)時(shí)電流法、以相對Ag/AgCl的0. 1至0. 6V變化電 勢（以50mV增量）獲得HDV。這些示例性表征在含100 μ Μ谷氨酸鹽的空白緩沖溶液中進(jìn) 行。在電勢步驟后15s，對氧化還原電流采樣。然后可以使用GOx-BMAE進(jìn)行相同的方案，以 檢測10mM葡萄糖。圖7顯示了谷氨酸鹽雙組件微針陣列電極的示例性流體力學(xué)伏安圖，例 如，其中在電勢步驟后t = 15s時(shí)對氧化還原電流采樣。從圖中顯然可見，谷氨酸鹽的存在 引起陽極電流的相伴增加，對應(yīng)于H20 2酶產(chǎn)物的氧化。過氧化物氧化的起始可以發(fā)生于相 對Ag/AgCl的?0. 25V。為了將實(shí)際樣品中干擾物的潛在氧化減至最低，可以選擇相對Ag/ AgCl的0. 40V電勢用于BMAE生物傳感器進(jìn)一步的電化學(xué)實(shí)施。
[0106] 描述了雙組件微針陣列電極處的在緩沖基質(zhì)和人血清中的谷氨酸鹽的生物傳感 的實(shí)例。使用計(jì)時(shí)電流電勢步驟評價(jià)了示例性BMAE生物傳感器對所選的相對Ag/AgCl的 0. 40V電勢的靈敏性。圖8A顯示了緩沖基質(zhì)中谷氨酸鹽水平隨整個(gè)病理生理范圍（例如， 0-140 μ M，以20 μ Μ增量，在t = 15s時(shí)取樣）增加的三平行樣品計(jì)時(shí)電流實(shí)驗(yàn)的均值數(shù)據(jù) 圖?？梢杂^察到在研究的整個(gè)范圍中的線性校準(zhǔn)圖（R2 = 〇. 995)(如圖8A的插圖所示）。 示例性校準(zhǔn)圖展示高靈敏性（sx = 7. 129ηΑ/μΜ)和低偏差（RSD = 3. 51% );可以基于實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)的信噪比特性（S/N = 3)評價(jià)3 μ Μ的檢測限度（LOD)。LOD遠(yuǎn)低于正常生理水平， 這反映出微針傳感器檢測生理水平的谷氨酸鹽的能力。
[0107] 在緩沖溶液中的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)后，通過未稀釋人血清樣品中谷氨酸鹽的定量評價(jià)所述 BMAE生物傳感器的示例性實(shí)施。圖8B顯示了人血清中的谷氨酸鹽水平在0-140 μ Μ范圍 (例如，以20 μ Μ增量）增加的三平行樣品計(jì)時(shí)電流校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的均值的數(shù)據(jù)圖。正如示例 性緩沖劑研究，可以觀察到整個(gè)范圍的線性校準(zhǔn)圖（如圖8Β的插圖所示；R 2 = 0.992)。另 夕卜，例如，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)高靈敏性（sx = 8· 077ηΑ/μ M)和低偏差（RSD = 6. 53% )?？梢曰?于這些數(shù)據(jù)的信噪比特性（S/N = 3)評價(jià)10 μ Μ的L0D。如同示例性緩沖劑實(shí)驗(yàn)，獲自實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的L0D低于正常生理水平限度。ΒΜΑΕ在未處理血清樣品中表現(xiàn)出的引人注目的行為反 映了 ΡΗ)膜的保護(hù)能力。此外，從基于緩沖劑和血清的試驗(yàn)獲得的類似的靈敏性也能支持 Pro固定方案的穩(wěn)定性，盡管生物傳感器長時(shí)間暴露于蛋白質(zhì)豐富的血清介質(zhì)。
[0108] 描述了采用生理相關(guān)電活性化合物的干預(yù)研究的實(shí)例。例如，pro包被的另一有 利特征包括其即使在中等水平的氧化電勢下仍排斥共存的電活性干擾物的能力。因此， 檢測了在生理水平的抗壞血酸（60μΜ)、尿酸（500μΜ)、半胱氨酸（200μΜ)和乙酰氨酚 (200 μ Μ)的存在下的反應(yīng)靈敏性。圖9顯示的數(shù)據(jù)圖為示例性計(jì)時(shí)電流圖，其記錄了 0.1Μ 磷酸鹽緩沖液（ΡΗ7. 40)中的空白緩沖溶液、ΙΟΟμΜ谷氨酸鹽和存在電活性生理干擾物抗 壞血酸（ΑΑ，60 μ Μ)、尿酸（UA，500 μ Μ)、半胱氨酸（CYS，200 μ Μ)和乙酰氨酚（ACT, 200 μ Μ) 的100 μ Μ谷氨酸。在與圖8Α和8Β所示的那些相同的條件下進(jìn)行示例性實(shí)施。圖9展示 了這些電活性化合物的存在對100 μ Μ谷氨酸鹽的電流信號賦予的可忽略的貢獻(xiàn)。生理水 平的抗壞血酸、尿酸、半胱氨酸和乙酰氨酚分別引起了與100 μ Μ谷氨酸鹽電流反應(yīng)的僅 0. 44%、0. 31 %、1. 93%和6. 37%的平均偏差。因此，這些電活性物質(zhì)水平的自然代謝波動 預(yù)期不會干擾使用示例性BMAE裝置作為體表生物傳感器的體內(nèi)谷氨酸鹽定量。
[0109] 進(jìn)行了示例性實(shí)施，以用于示例性雙組件微針電極陣列的穩(wěn)定性分析。例如，在較 長時(shí)間內(nèi)、以最低程度的電流反應(yīng)退化工作的能力可以代表體表生物傳感器的另一重要特 征。因此，使用100 μ Μ谷氨酸鹽溶液檢測了 8小時(shí)時(shí)段的BMAE反應(yīng)的穩(wěn)定性。圖10所示 的數(shù)據(jù)圖顯示了谷氨酸鹽反應(yīng)在長時(shí)間段的穩(wěn)定性，其中每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)參照t = 0 (100% )時(shí) 的原始電流水平。在該示例性實(shí)施中，數(shù)據(jù)產(chǎn)生于在含140 μ Μ谷氨酸鹽的0. 1M磷酸鹽緩 沖液（ΡΗ7. 40)中記錄的計(jì)時(shí)電流圖。示例性實(shí)施在與圖8Α和8Β中所示的那些相同的條 件下進(jìn)行。圖10的示例性時(shí)程圖表明，示例性生物傳感器展現(xiàn)高度穩(wěn)定的電流反應(yīng)，在8 小時(shí)的連續(xù)采樣后仍保留105%的原始信號水平。在該實(shí)例中，測量的電流在整個(gè)時(shí)程中從 未超過原始水平的110%。因此，可以預(yù)期BMAE能在與體戴式生物傳感器相關(guān)的長時(shí)間段 內(nèi)可靠運(yùn)行。
[0110] 描述了利用示例性雙組件微針電極陣列進(jìn)行葡萄糖生物傳感的實(shí)例。例如，利用 方法學(xué)表征的谷氨酸鹽BMAE，隨后可以變換示例性平臺以用作針對糖尿病監(jiān)測的葡萄糖生 物傳感器。使用所述GluOx固定方法的稍微變形方案將GOx封裝于BMAE腔中。該技術(shù)可以 按照量化成本（cost-per-quantity)進(jìn)行修改，如上文所述。圖11A顯示的數(shù)據(jù)圖表征了 整個(gè)病理生理范圍（例如，〇-14mM，以ImM增量）內(nèi)緩沖基質(zhì)中的葡萄糖水平增加的計(jì)時(shí)電 流校準(zhǔn)數(shù)據(jù)?？稍谡麄€(gè)范圍觀察到非常好的反應(yīng)，從而產(chǎn)生出線性校準(zhǔn)圖（如圖11A的插 圖所示；R 2 = 0. 996)。另外，這些示例性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)高靈敏性（sx = 0. 353 μ A/mM)和低 偏差（RSD = 6· 44%，η = 3)，以及0· 2mM的LOD(S/N = 3)?？梢宰⒁獾?，當(dāng)相比于GluOx 功能化的平臺時(shí)，GOx功能化的BMAE對其底物展現(xiàn)的靈敏性較低。例如，這可以歸因于不 同pro生長過程，其可以影響底物和產(chǎn)物的運(yùn)輸特性。因此，當(dāng)需要高靈敏性時(shí)，可以按照 GluOx固定過程。
[0111] 圖11B展示了示例性葡萄糖微針生物傳感器的高選擇性。圖11B顯示了對空白 緩沖溶液、l〇mM葡萄糖和存在電活性生理干擾物抗壞血酸（AA，60 μ M)、尿酸（UA，500 μ M)、 半胱氨酸（CYS，200 μ Μ)和乙酰氨酚（ACT，200 μ Μ)的10mM葡萄糖記錄的示例性計(jì)時(shí)電流 圖的數(shù)據(jù)圖。圖11B展示了潛在電活性干擾物存在對10mM葡萄糖的電流信號所賦予的貢 獻(xiàn)。生理水平的抗壞血酸、尿酸、半胱氨酸和乙酰氨酚分別引起與10mM葡萄糖的電流反應(yīng) 的1. 07%、0. 88%、1. 65%和2. 21 %的可忽略的偏差。因此，如同用谷氨酸鹽BMAE進(jìn)行的 示例性干擾實(shí)施，這些化合物自然的代謝波動預(yù)期不會干擾葡萄糖監(jiān)測。
[0112] 使用含10mM葡萄糖的緩沖溶液、在8小時(shí)時(shí)間段進(jìn)行GOx功能化的BMAE的示例 性穩(wěn)定性評價(jià)。GOx BMAE產(chǎn)生高度穩(wěn)定的電流反應(yīng)，為在測量階段結(jié)束時(shí)提取原始信號水 平的97%。在該實(shí)例中，在研究的整個(gè)時(shí)間段，測得的電流反應(yīng)從未低于原始水平的87%。 與先前描述的GluOx功能化的BMAE的類似的結(jié)果表明，基于PH)的固定方案在長時(shí)間的連 續(xù)應(yīng)用后仍能產(chǎn)生穩(wěn)定的反應(yīng)。
[0113] 對該實(shí)施方案描述的所公開的技術(shù)包括雙組件微針陣列生物傳感器平臺，其可以 用于最低程度侵入性的谷氨酸鹽和葡萄糖定量。雙組件微針設(shè)計(jì)整合了實(shí)心和中空微針的 固有優(yōu)勢，以形成可以允許酶的電聚合包埋的微腔，其能夠在穿透皮膚時(shí)對酶層提供保護(hù)， 并能夠免去提取生物流體的要求。使用聚（鄰苯二胺）薄膜來包埋谷氨酸和葡萄糖氧化酶 可以分別實(shí)現(xiàn)高靈敏性、選擇性、穩(wěn)定性和快速的電化學(xué)檢測谷氨酸鹽和葡萄糖。未稀釋的 人血清樣品在整個(gè)病理生理范圍內(nèi)的谷氨酸高保真性檢測可以進(jìn)一步證實(shí)該平臺作為實(shí) 用的體表生物傳感器的效用。示例性貼片式體表生物傳感器可以實(shí)現(xiàn)多種相關(guān)代謝物的透 皮監(jiān)測。
[0114] 在所公開技術(shù)的另一實(shí)施方案中，描述了最低侵入性的、多路復(fù)用、多組件微針 驅(qū)動器裝置，其能實(shí)現(xiàn)多種治療劑的受控遞送。該實(shí)施方案可以包括如同先前描述的那 些的相同的實(shí)施方案，并因此可以基于單個(gè)實(shí)施方案實(shí)施個(gè)體實(shí)施方案的整個(gè)功能。在 該描述的實(shí)施方案中，裝置能夠以自發(fā)性的、最低程度侵入性的和受控的方式響應(yīng)于損 傷/創(chuàng)傷遞送藥物，其利用微針陣列作為遞送結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以稱為智能芯片納米藥劑 (NanoPharmacy-on-A-Chip)。例如，可以將微針陣列整合在放置于皮膚上的粘合式貼片上， 以根據(jù)需要經(jīng)皮遞送目的性治療干預(yù)。示例性技術(shù)可以將微針平臺與刺激反應(yīng)性傳導(dǎo)性聚 合物納米驅(qū)動器（具有通過整合的感應(yīng)或酶邏輯系統(tǒng)控制的自發(fā)性孔隙度變化的可調(diào)的 通透性）整合。例如，所公開的生物傳感器-驅(qū)動器裝置可以用于幫助快速給予多種治療 齊U，并消除不利的生物醫(yī)學(xué)病癥。
[0115] 所述實(shí)施方案包括單個(gè)微針陣列上的多個(gè)可單獨(dú)訪問的通道，每個(gè)配對有其自身 的貯庫和傳導(dǎo)性聚合物納米驅(qū)動器，驅(qū)動器被用于遞送多種不同的化學(xué)物質(zhì)的各種組合。 例如，通過向所選的驅(qū)動器施加合適的氧化還原電勢，傳導(dǎo)性聚合物能經(jīng)歷可逆的容積變 化，從而通過相應(yīng)的微針通道、以受控方式用于釋放模式化學(xué)劑。本文中進(jìn)行并描述了所公 開的生物傳感器-驅(qū)動器裝置的藥物遞送部分的示例性實(shí)施。例如，記錄了延時(shí)錄像，這能 提供膜轉(zhuǎn)換能力的直接視覺化和表征，并且聯(lián)合校準(zhǔn)研究，證實(shí)了裝置以高精確性和時(shí)間 分辨率替代來自陣列的個(gè)體微針的多試劑遞送能力。本文描述了分析模型，其可以提供通 過單個(gè)微針的體積流速的預(yù)測，并因此，可以用于幫助設(shè)計(jì)微針陣列。
[0116] 在一些實(shí)例中，可以采用如聚吡咯（PPy)、聚苯胺（PANI)和聚（3, 4-乙撐二氧噻 吩）（PED0T)的傳導(dǎo)性聚合物，用于所述受控釋放系統(tǒng)和藥物遞送驅(qū)動器。這些示例性材料 包括特有的特性（例如，尤其是PPy)，包括它們作為"人工肌肉"的可逆的機(jī)械行為，以及 它們響應(yīng)于施加的電化學(xué)刺激而改變孔隙度和容積變化的能力。所公開的驅(qū)動器技術(shù)在裝 置和系統(tǒng)中改造了這些示例性材料，以提供以有效和最低程度侵入性的方式遞送藥物的方 式，例如，其能夠以實(shí)用的體戴式裝置實(shí)施，以用于改善疾病和急性期損傷，適合于長時(shí)間 無痛佩戴。
[0117] 圖12A顯示了示例性的基于微針的多通道、多路復(fù)用藥物遞送驅(qū)動器裝置1200的 示意圖。裝置1200包括中空微針陣列1201。裝置1200包括濺鍍金的聚碳酸酯膜1204,能 夠用涂有十二烷基苯磺酸鈉的聚吡咯（PC/Au/PPy/DBS)將其功能化。裝置1200包括聚二 甲基硅氧烷（PDMS)貯庫1207,其可以包括貯存化學(xué)（治療）劑的多個(gè)貯庫。
[0118] 圖12B顯示了組裝的多通道藥物遞送驅(qū)動器裝置1200的示意圖，其中貯庫1207 配置為具有兩個(gè)示例性貯庫，容納兩種不同藥物，例如藥物1211和藥物1212。圖12B的示 意圖也顯示了組裝的多通道藥物遞送驅(qū)動器裝置1200,其包括電極連接物1216和1217,分 別對應(yīng)于容納藥物1211和1212的兩個(gè)貯庫。
[0119] 所公開的生物傳感器-驅(qū)動器裝置能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行多種治療劑的受控和可開啟/關(guān)閉 的遞送。所述裝置的示例性實(shí)施利用靜止幀成像和實(shí)時(shí)視頻捕捉，以顯示從來自相同陣列 平臺的不同微針交替釋放染料。例如，圖像分析軟件（例如，ImageJ)和紫外可見（UV-Vis) 分光光度計(jì)被用于展示開啟/關(guān)閉精確性和微針體積流速的可重復(fù)性。這些示例性結(jié)果與 評價(jià)通過單個(gè)微針的流體流動特性的分析模型相關(guān)，其隨后可以用于幫助設(shè)計(jì)和開發(fā)所公 開的多部分微針陣列技術(shù)的其它實(shí)施方案，例如，其能夠用于可以根據(jù)需要遞送不同治療 劑的實(shí)用性體戴式裝置。
[0120] 通過采用所公開的生物傳感器-驅(qū)動器技術(shù)，可以在陣列的每個(gè)微針構(gòu)件處釋放 獨(dú)特的藥物治療劑，從而能實(shí)現(xiàn)提供定制的給藥。所述的生物傳感器-驅(qū)動器技術(shù)包括活 動的固態(tài)裝置，其不需要移動各個(gè)部分或整合的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)。因此，這簡化了低 斷面裝置設(shè)計(jì)，并消除了對可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜并增加尺寸和成本的復(fù)雜的基于微流 體元件的要求。另外，例如，能夠用可植入裝置實(shí)施所述微針多藥物遞送技術(shù)，因此其非常 適合聯(lián)合多路復(fù)用微針傳感器陣列而用作自發(fā)性'可佩戴的納米藥學(xué)試劑'的核心元件。
[0121] 提供了實(shí)施所述技術(shù)的所公開的實(shí)施方案的示例性材料和方法。在所描述的 實(shí)施中使用了以下化學(xué)物和試劑，包括十二烷基苯磺酸鈉（NaDBS)、次甲基綠（MG)、甲酚 紅（CR)、一元磷酸鉀（ΚΗ 2Ρ04)和二元磷酸鉀（Κ2ΗΡ04)，例如，其獲自Sigma Aldrich (St. Louis, M0)并且不經(jīng)過進(jìn)一步純化或修飾直接使用。在真空條件下每天蒸饋批咯并在電 聚合前保存于4°C下。所有試劑均在0.1M磷酸鹽緩沖液溶液（pH7. 00)中制備。超純水 (18. 2ΜΩ ·αιι)被用于所有示例性實(shí)施。聚二甲基娃氧燒（PDMS)獲自Dow Corning Corp. (Midland，MI)并以10:1的聚合物：固定劑比手工混合。然后將懸浮液倒入定制模具中，并 在真空干燥器中脫氣。然后，將PDMS懸浮液在110°C下烘焙15min。將得到的結(jié)構(gòu)以3 SCCm 的氣流速率暴露于UVO臭氧（Jetline Co.，Irvine，CA) 5分鐘。25mm直徑的黑色聚碳酸酯 (PC)徑跡蝕刻膜過濾器獲自SPI供應(yīng)商（West Chester, Pennsylvania);這些膜具有600nm 的孔徑。
[0122] 所述實(shí)施中使用的儀器包括如下，其在本文公開的示例性條件下用于所公開 實(shí)施方案的示例性展示和實(shí)施。CH儀器（Austin，TX) 1232A型電化學(xué)分析儀被用于所 有電化學(xué)測量中。Ag/AgCl線參比電極和鉬線反電極被用于建立3電極電化學(xué)系統(tǒng)。 Shimadzu(Kyoto, Japan)UV_2450紫外可見分光光度計(jì)被用于所有的光學(xué)測量。商業(yè)數(shù)字 視頻攝像機(jī)/攝錄像機(jī)被用于捕捉靜止巾貞圖和視頻。Philips XL30場發(fā)射掃描電子顯微 鏡（Amsterdam, the Netherlands)被用于研究微針陣列的表面形態(tài)。在SEM成像前，使用 Emitech(East Sussex，UK)K575X溉射儀對陣列包被金膜（例如，?15nm)。得到的電子顯 微圖顯示在圖13A和13B中。圖13A顯示的SEM成像描繪了示例性中空微針陣列表面形態(tài) 的細(xì)節(jié)。圖13B顯示了示例性中空微針陣列單個(gè)針的掃描電子顯微鏡的增強(qiáng)圖，其特征為 具有界限明確的圓柱形腔。在涂有NaDBS的PPy傳導(dǎo)性聚合物沉積前，使用Emitech K575X 濺射儀對PC膜濺鍍金薄膜（?75nm)。
[0123] 用于所述實(shí)施的示例性中空微針陣列的制造以下述方式進(jìn)行。制造中空微針陣 列，其中首先使用 Solidworks(Dassualt Systemes S.A.，Velizy，F(xiàn)rance)準(zhǔn)備微針設(shè)計(jì)。 然后用Magics RP13(Materialise NV, Leuven, Belgium)制作基底支持結(jié)構(gòu)。例如，中空 針為金字塔形，具有三角形底座。例如，每個(gè)中空微針的維度如下：邊長1174± 13 μ m、高 1366±15μπι，金字塔結(jié)構(gòu)的一個(gè)面上的垂直的圓柱形內(nèi)孔直徑為342±5μπι。中空針均以 2mm間隔布置為3X3方形陣列。例如，微針陣列基底面積為10mmX 10臟，并具有500 μ m的 厚度值。
[0124] 用于所述實(shí)施的示例性可電驅(qū)動的納米多孔膜（例如，PC/Au/PPy/DBS膜）的制 備以下述方式進(jìn)行。例如，使用銀導(dǎo)電環(huán)氧樹脂將濺鍍金的PC膜（PC/Au)(例如，孔徑? 600nm、孔隙度?0. 2)在外圍連接至銅線。將0. 1M NaDBS溶液用氮?dú)鈨艋?0min，然后加入 吡咯單體以獲得〇. 25M的終濃度。然后，將PC/Au膜浸沒于溶液中，并用作電化學(xué)室中的工 作電極，同時(shí)施加相對Ag/AgCl的0. 6V10min。持續(xù)指定的時(shí)間施用該示例性電勢量引起聚 吡咯聚合物在PC/Au膜上的最佳沉積，從而將'閉合'狀態(tài)下溶液通過膜的浸出減至最小， 同時(shí)允許溶液在'開放'狀態(tài)下以合適的速度流動。電聚合聚吡咯/DBS(PPy/DBS)后，用去 離子水沖洗PC/Au/PPy/DBS膜，并通過于緩沖溶液中在相對Ag/AgCl的-1. IV至0. 5V間循 環(huán)10次進(jìn)行穩(wěn)定。該過程使得膜能夠在還原態(tài)（-1. IV)時(shí)膨脹，并在氧化態(tài)（〇. 5V)時(shí)以 可逆方式收縮。當(dāng)不使用時(shí)，可以將膜于室溫下保存在緩沖溶液中。
[0125] 用于所述實(shí)施的所公開生物傳感器-驅(qū)動器裝置的示例性藥物遞送驅(qū)動器部分 的制造以下述方式進(jìn)行。將PC/Au/PPy/DBS膜切成約12mmX4mm的尺寸的薄片。然后使用 粘合性環(huán)氧樹脂將這些薄片粘合在示例性3X3微針陣列的背面，使得一個(gè)薄片完全覆蓋 一排3個(gè)微針。用建模粘土堵塞陣列的中心排，這能實(shí)現(xiàn)形成兩個(gè)可單獨(dú)訪問的可電驅(qū)動 的通道，圖12A示例性展示了組件水平的示意圖。使用銀環(huán)氧樹脂將電引線連接至兩個(gè)PC/ Au/PPy/DBS膜中的每個(gè)，以促進(jìn)與每個(gè)驅(qū)動器的歐姆接觸。然后將PDMS雙通道貯庫在膜上 對齊，并使用粘合性環(huán)氧樹脂粘合。如圖12B所示，最終將貯庫裝載上?20 μ L的模式化學(xué) 劑。
[0126] 示例性微針陣列驅(qū)動器裝置的最初實(shí)施旨在確認(rèn)和可視化PC/Au/PPy/DBS膜的 開啟/關(guān)閉能力和雙通道操作。例如，首先將組裝的多路復(fù)用藥物遞送驅(qū)動器的兩個(gè)貯庫 (例如，貯庫1 (R1)和貯庫2 (R2))裝載上12mM的次甲基綠（MG)染料并連同反電極和參比電 極浸沒在緩沖溶液中。用磁性攪拌棒以恒定速率（例如，140rpm)施加連續(xù)攪動。涂有DBS的 PPy膜進(jìn)入還原態(tài)，并通過相對Ag/AgCl的-1. IV偏壓而填充，從而阻止溶液流過多孔材料。 在該電勢（表示為處于'OFF'狀態(tài)）下，在每個(gè)通道中均未觀察到MG染料的排出，如圖14 的圖（A)所示。隨后，R2膜納米驅(qū)動器維持在還原態(tài)（相對Ag/AgCl的-1. IV，''0FF'）， 并通過施用相對Ag/AgCl的0. 5V電勢將R1的膜被轉(zhuǎn)換至氧化態(tài)（'ON'）。該"ON"狀態(tài) 引起涂有DBS的PPy膜成為氧化態(tài)并收縮，從而促進(jìn)溶液流過納米多孔膜，然后流過微針。 如從圖14的圖（B)可觀察到的，可見到MG從R1射出，而R2保持關(guān)閉且不允許釋放燃料。 該操作后，R1保持氧化態(tài)（相對Ag/AgC10. 5V，'0N'），而將R2轉(zhuǎn)換為氧化態(tài)（相對Ag/ AgClO. 5V，'ON'），從而從兩個(gè)貯庫釋放MG(如圖14的圖（C)所示）。隨后，R1轉(zhuǎn)換為還原 態(tài)"0FF"，且R2保持氧化態(tài)"0N"，如圖14的圖⑶所示。這種通過轉(zhuǎn)換納米多孔膜上的電 勢實(shí)現(xiàn)的MG從各個(gè)貯庫受控和交替釋放以實(shí)時(shí)方式展示。重復(fù)的'0N-0FF'循環(huán)實(shí)施證明 了藥物遞送陣列能以循環(huán)形式保持其開放和關(guān)閉的能力，例如，甚至在10次或更多次重復(fù) 后。此外，第10次循環(huán)時(shí)觀察MG釋放所需要的時(shí)間長度（?30s)與第一次循環(huán)時(shí)的相同。 在示例性實(shí)施中，施加"OFF"電勢后，完成流動關(guān)閉的時(shí)長為約35s。基于以上結(jié)果，將R1 裝載上CR染料，并將R2裝載上MG燃料。施用了總共4次"0N/0FF"轉(zhuǎn)換?；谑┘佑诿?個(gè)多孔膜的電勢展示了從交替性微針陣列貯庫的受控染料排出。
[0127] 示例性實(shí)施包括圖像分析和紫外可見分光光度計(jì)技術(shù)，用于通過實(shí)驗(yàn)定量來自單 個(gè)微針通道的MG染料的流速來分析微針陣列的藥物遞送能力。圖15展示了以30s的固 定時(shí)間間隔從單個(gè)微針釋放MG到靜止的緩沖溶液中。圖15顯示了以30s(圖（A)所示）、 60s (圖⑶所示）、90s (圖（C)所示）和120s (圖⑶所示）的不同時(shí)間間隔從單個(gè)微針 釋放次甲基綠（MG)的示例性延時(shí)靜止幀圖。例如，在實(shí)施中施加0. 5V (相對Ag/AgCl)的 電勢以開放多孔膜并釋放染料。通過分析多個(gè)延時(shí)視屏靜止幀，確定所釋放染料的示例性 流速為6. 3±0.4 μ L/小時(shí)（η = 10)。施加該電勢30s后，染料開始從微針孔冒出。60s時(shí) 清楚地觀察到小的染料柱。120s后觀察到具有約0. 5cm高度的界限明確的染料柱。然后， 通過利用圖像處理軟件（例如，ImageJ)聯(lián)合以下流速方程（Eq. 1)測量其柱高（h)來計(jì)算 所釋放染料的估計(jì)的實(shí)驗(yàn)流速：

【權(quán)利要求】
1. 裝置，包括： 中空針陣列，其中每個(gè)針包括突起的針結(jié)構(gòu)和探針，所述針結(jié)構(gòu)包括形成中空內(nèi)部的 外壁和位于突起的針結(jié)構(gòu)末端的、暴露所述中空內(nèi)部的開口，所述探針位于所述外壁內(nèi)部 并用于與通過所述開口與所述探針發(fā)生接觸的一種或多種化學(xué)或生物學(xué)物質(zhì)相互作用而 產(chǎn)生探針感應(yīng)信號；和 線陣列，所述線分別與中空針陣列的探針相聯(lián)，每根線均為導(dǎo)電性的，以傳輸各個(gè)探針 產(chǎn)生的探針感應(yīng)信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述探針中的一個(gè)或多個(gè)包括功能化的包被，所述 包被被配置為能與流體中的分析物相互作用。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述包被包括酶功能化的包被或離子選擇性包被中 的至少一種。
4. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述分析物包括生物化學(xué)物質(zhì)、代謝物、電解質(zhì)、離 子、病原體或微生物中的至少一種。
5. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中使用安培法、伏安法或電勢法中的至少一種，檢測所 述分析物與所述一個(gè)或多個(gè)功能化的探針中的一個(gè)上的所述包被之間的電化學(xué)相互作用。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中通過以下方式中的至少一種將所述分析物固定在所 述包被的界面處：電聚合/聚合物包埋、靜電相互作用、共價(jià)相聯(lián)或直接吸附。
7. 如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括與所述線陣列通訊的處理單元，其能接收所述探 針感應(yīng)信號并將所述探針感應(yīng)信號用作數(shù)據(jù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述處理單元能將所述數(shù)據(jù)與閾值比較，以確定所 述分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述處理單元能確定所述數(shù)據(jù)的模式，所述模式指 示所述分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
10. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述處理單元多路復(fù)用從所述探針接收的探針感 應(yīng)信號。
11. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述裝置被整合至粘合式貼片中，以放置于皮膚上 來檢測透皮液體中存在的分析物。
12. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述探針包括碳纖維、碳糊、傳導(dǎo)性金屬或傳導(dǎo)性 聚合物中的至少一種。
13. 裝置，包括： 基底，包括位于所述基底的一側(cè)的、具有中空內(nèi)部的微針，其中所述微針包括壁，所述 壁具有開口于所述中空內(nèi)部的開口； 電極，包括探針，其中所述探針被設(shè)置于所述中空內(nèi)部中；和 線，其中所述線與所述探針相聯(lián)， 其中所述電極被所述探針上的包被功能化，用于與分析物相互作用而產(chǎn)生電信號。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述探針包括碳纖維、碳糊、傳導(dǎo)性金屬或傳導(dǎo)性 聚合物中的至少一種。
15. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述包被包括酶功能化的包被或離子選擇性包被 中的至少一種。
16. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述分析物包括生物化學(xué)物質(zhì)、代謝物、電解質(zhì)、 離子、病原體或微生物中的至少一種。
17. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中使用安培法、伏安法或電勢法中的至少一種，檢測 所述分析物與所述功能化電極上的包被之間的電化學(xué)相互作用。
18. 如權(quán)利要求13所述的裝置，還包括與所述線通訊的處理單元，其能接收所述電信 號并將所述電信號用作數(shù)據(jù)。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述處理單元能將所述數(shù)據(jù)與閾值比較，以確定 所述分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
20. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述處理單元能確定所述數(shù)據(jù)的模式，所述模式 指示所述分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
21. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述裝置被整合至粘合式貼片中，以放置于皮膚 上來檢測透皮液體中存在的分析物。
22. 如權(quán)利要求13所述的裝置，還包括： 聚合物膜，具有孔隙度能可逆調(diào)節(jié)的孔，其中所述聚合物膜附接至所述基底的對側(cè)； 配置于所述基底的一側(cè)上的突起結(jié)構(gòu)，所述突起結(jié)構(gòu)具有在所述基底中的、暴露所述 聚合物膜的開口與位于所述突起結(jié)構(gòu)末端的開口之間的通道； 容納化學(xué)物質(zhì)的容納結(jié)構(gòu)，所述容納結(jié)構(gòu)包括位于所述突起結(jié)構(gòu)上方的、連接于所述 聚合物膜的一個(gè)或多個(gè)開口；和 連接于所述聚合物膜的電極， 其中所述電極能提供電刺激，從而引起所述聚合物膜的孔的擴(kuò)張至開放狀態(tài)，或引起 聚合物膜的孔收縮至關(guān)閉狀態(tài)。
23. 如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述化學(xué)物質(zhì)為治療劑，包括藥物、疫苗、激素或 藥學(xué)試劑中的至少一種。
24. 如權(quán)利要求22所述的裝置，還包括與所述線通訊的處理單元，其能接收所述電信 號并用作數(shù)據(jù)，并與所述電極通訊以產(chǎn)生電刺激。
25. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述處理單元能處理所述數(shù)據(jù)，以確定所述分析 物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
26. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述處理單元能驅(qū)動所述電極對所述聚合物膜施 加電刺激，以將其通透性從關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_放狀態(tài)，從而從所述裝置釋放所述化學(xué)物質(zhì)。
27. 如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括： 第二聚合物膜，具有孔隙度能可逆調(diào)節(jié)的孔，其中所述第二聚合物膜附接至所述基底 的對側(cè)； 配置于所述基底的一側(cè)上的另一突起結(jié)構(gòu)，所述另一突起結(jié)構(gòu)包括在所述基底中的、 暴露所述第二聚合物膜的開口與位于所述另一突起結(jié)構(gòu)末端的開口之間的通道； 容納第二化學(xué)物質(zhì)的第二容納結(jié)構(gòu)，所述第二容納結(jié)構(gòu)包括位于所述另一突起結(jié)構(gòu)上 方的、連接于所述第二聚合物膜的一個(gè)或多個(gè)開口；和 連接于所述第二聚合物膜的第二電極， 其中所述第二電極能提供第二電刺激，從而引起所述第二聚合物膜的孔擴(kuò)張至開放狀 態(tài)，或引起第二聚合物膜的孔收縮至關(guān)閉狀態(tài)。
28. 如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述處理單元多路復(fù)用從所述探針接收到的電信 號和分別向所述電極和第二電極用于釋放所述化學(xué)物質(zhì)和所述第二化學(xué)物質(zhì)的電刺激的 驅(qū)動。
29. 感應(yīng)分析物和遞送治療劑的方法，包括： 檢測位于與化學(xué)功能化的探針的界面處的分析物產(chǎn)生的信號，所述探針被配置為能與 生物流體中的分析物發(fā)生電化學(xué)相互作用，其中所述信號被所述化學(xué)功能化的探針轉(zhuǎn)換為 電信號； 處理所述電信號以確定所述分析物的參數(shù)；和 基于所確定的參數(shù)，對閥門施加電刺激，所述閥門包括具有孔隙度能可逆調(diào)節(jié)的孔的 多孔聚合物膜，所述閥門連接于容納治療劑的容器， 其中所述電刺激能將所述孔的通透性從關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_放狀態(tài)，從而將所述治療劑 釋放至所述生物流體中。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述分析物包括生物化學(xué)物質(zhì)、代謝物、電解質(zhì)、 離子、病原體或微生物中的至少一種。
31. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述治療劑包括藥物、疫苗、激素、維生素、抗氧化 劑或藥學(xué)試劑中的至少一種。
32. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述生物流體包括透皮液體、眼內(nèi)液體、玻璃體 液、腦脊液、細(xì)胞外液、間質(zhì)液、血漿、血清、淚液、唾液、汗液、粘液或血液中的至少一種。
33. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中使用安培法、伏安法或電勢法中的至少一種，檢測 所述一個(gè)或多個(gè)信號。
34. 如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述參數(shù)包括所述分析物的濃度水平。
35. 裝置，包括： 基底，包括位于所述基底一側(cè)上的、具有中空內(nèi)部的多個(gè)微針，其中每個(gè)所述微針包括 壁，所述壁具有開口于所述中空內(nèi)部的開口； 生物傳感器模塊，包括： 多個(gè)感應(yīng)電極，其設(shè)置于第一組所述多個(gè)微針的中空內(nèi)部中，所述感應(yīng)電極包括探針， 其中所述探針包括功能化的包被，所述功能化的包被被配置為能與流體中的分析物相互作 用而產(chǎn)生電信號，和 多根線，其中所述多根線中的一根線連接至所述感應(yīng)電極的探針； 處理單元，其與所述多根線通訊以接收所述電信號并將所接受到的電信號用作數(shù)據(jù)； 和 驅(qū)動器模塊，包括： 聚合物膜，其具有孔隙度能可逆調(diào)節(jié)的孔，其中所述聚合物膜附接至所述基底的對側(cè)， 多個(gè)突起結(jié)構(gòu)，其被設(shè)置于第二組所述多個(gè)微針的中空內(nèi)部中，所述突起結(jié)構(gòu)包括在 所述基底中的、暴露所述聚合物膜的開口與位于所述突起結(jié)構(gòu)末端的開口之間的通道， 容納結(jié)構(gòu)，其容納置于所述聚合物膜上的化學(xué)物質(zhì)，其中所述容納結(jié)構(gòu)包括位于所述 突起結(jié)構(gòu)上方的、連接于所述聚合物膜的一個(gè)或多個(gè)開口，和 連接于所述聚合物膜的驅(qū)動器電極，其中所述驅(qū)動器電極能提供電刺激以引起所述聚 合物膜的孔擴(kuò)張至開放狀態(tài)，或引起所述聚合物膜的孔收縮至關(guān)閉狀態(tài)， 其中所述處理單元與所述驅(qū)動器電極通訊，以基于所述數(shù)據(jù)產(chǎn)生電刺激。
36. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述分析物包括生物化學(xué)物質(zhì)、代謝物、電解質(zhì)、 離子、病原體或微生物中的至少一種。
37. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述化學(xué)物質(zhì)為治療劑，包括藥物、疫苗、激素或 藥學(xué)試劑中的至少一種。
38. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述處理單元能將所述數(shù)據(jù)與閾值比較，以確定 所述分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
39. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述處理單元能確定所述數(shù)據(jù)的模式，所述模式 能指示所述分析物濃度是否反映了健康或疾病狀態(tài)。
40. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述處理單元能驅(qū)動所述驅(qū)動器電極對所述聚合 物膜施加電刺激，以將其通透性從關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)殚_放狀態(tài)，從而將所述化學(xué)物質(zhì)釋放至 所述流體中。
41. 如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述處理單元多路復(fù)用從所述探針接收的電信號 和向所述驅(qū)動器電極的電刺激的驅(qū)動。
42. 如權(quán)利要求40所述的裝置，其中所述處理單元包括配置于所述基底上的邏輯門。
43. 如權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述裝置被整合至粘合式貼片中，以放置于皮膚 上來檢測透皮液體中存在的分析物。
【文檔編號】A61M37/00GK104114224SQ201280053416
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月2日
【發(fā)明者】約瑟夫·王, 約書亞·雷·溫德米勒, 羅杰·納拉揚(yáng), 羅訥恩·波爾斯基, 菲利普·米勒, 賽亞尼·L·愛德華茲 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會, 北卡羅萊納州立大學(xué), 三帝公司