一种基于柔性多孔微针的间质液采集装置

1.本发明属于医疗器械领域，涉及一种间质液采集装置，特别涉及一种基于柔性多孔微针的间质液采集装置。


背景技术：

2.随着人民生活水平的提升，糖尿病、甲亢、皮质醇增多症、多卵巢综合征逐渐发展成为常见的慢性疾病之，针对这些慢性病患者，需要对血糖浓度及激素等生理信息进行检测，以精确指导其饮食活动以及用药，大幅降低患者频繁就医带来的社会医疗成本。
3.微摩擦发电机是一种能量产生器件，基于摩擦起电效应，电极性不同的薄膜材料之间摩擦后，电荷转移使不同材料带不同电性，形成电荷差。在电势差的驱动下，电子在摩擦材料背面的电极之间或者电极与大地之间流动。
4.作为生物医学工程领域的新兴技术，微针能够以更加温和的方式获取生物信息，其长度通常不超过1mm，直径不超过500μm，因此并不会接触到血管与神经末梢，进而在检测过程中不会造成流血与疼痛。
5.此外，目前基于抽血化验的检测方式存在患者痛感明显、成本高、检测时间长等问题，并且难以实现血糖浓度、激素浓度原位连续监测。间质液作为生物皮下液体，含有生物当前生理状态的各项信息，通过对间质液的提取及检测，可以快速准确地反应生物体各项生理参数水平。
6.为了解决上述问题，目前正需要一种合理配置新型技术和先进材料的间质液采集装置，快速汲取足量间质液，以配合酶电极、lc电极等微检测手段实现血糖浓度、激素等原位快速连续监测，满足生物医疗器械领域的要求。


技术实现要素：

7.针对现有生理信息检测手段患者痛感明显、成本高与无法实现原位连续监测等问题，本发明提出一种基于柔性多孔微针的间质液采集装置，该系统集成了能量收集、整流和微针三个模块，突破了原有材料和工艺的诸多缺点，实现生物体间质液的快速足量提取。
8.本发明采用的技术方案包括：
9.一种基于柔性多孔微针的间质液采集装置，其特征在于，包括
10.微针模块，包括两个微针阵列，所述微针阵列包括柔性基板和阵列式分布于柔性基板上用于刺破表皮的多孔微针，每个微针阵列的柔性基板上均设有一个电极板，所述电极板能通过微流道与相应微针阵列上的多孔微针电学相连，其中一个微针阵列的柔性基板上设有间质液收集池；
11.能量收集模块，基于摩擦原理构建的微拱形摩擦发电机，能通过外力按压产生交流电；
12.整流模块，基于两个肖特基二极管和与之相连的导电线路构建的整流电路，将拱形摩擦发电机产生的交流电整制成直流电，为微针模块供电；
13.整流模块输出的负极与用于间质液收集的微针阵列上的电极板相连，正极与另一个微针阵列相连；两个微针阵列贴敷于人体皮肤上后，在两个微针阵列的多孔微针之间创造电泳场，在多孔微针内的微流道中创造电渗流，以电泳效应和电渗流效应驱动离子与间质液的定向输送至微针阵列的间质液收集池内。
14.所述微针模块，基于pdms多孔微针构建，采用模造技术制造具有金字塔型、30
°
尖端角、一定孔隙率的pdms多孔微针阵列，并对两块微针阵列施加整流模块整制出的直流脉冲电流，以电泳效应和电渗流效应驱动离子与间质液的定向输送，实现间质液样本的快速有效提取。
15.进一步地，所述微针模块中，采用模造法制备多孔pdms微针，使用疏水剂对模具进行表面处理，将掺杂了易溶于水的微粒(如：柠檬酸颗粒等)的pdms浇注入模具中进行固化。取出成型的微针后，用水洗去可溶微粒成分形成立体孔隙，再将微针阵列插入填充糖胺聚糖溶液的模具中使得微针阵列表面形成糖胺聚糖涂层，凝固后具备较大的硬度和强度，在穿透皮肤时保护微针不弯曲破裂，待接触间质液后，糖胺聚糖涂层降解于间质液中，使pdms多孔微针开始汲取间质液。
16.进一步地，所述能量收集模块中，采用pdms薄膜与柔性纸膜构造支撑结构并使用喷墨打印纳米银导电层在薄膜背面制备导电层及电极，将两片薄膜结构两端固定，形成利于实现高效率产生电荷的拱形机构。
17.进一步地，所述整流模块，基于两个肖特基二极管和与之相连的导电线路构建成的全波整流电路，采用喷墨打印技术制造具有单向导电性的肖特基二极管与具有优质分辨率的导电线路，将拱形摩擦发电机产生的交流电流整制成直流脉冲电流，为微针模块供电。
18.进一步地，所述整流模块中，采用喷墨打印技术制备氧化锌层，再于其上印刷铂层和铝层，其中氧化锌层和铝层之间为欧姆接触，铂层与氧化锌层为肖特基接触，使得整个结构的电学性能呈肖特基特性，实现肖特基二极管结构的制造。
19.本发明构建的间质液采集装置集成了能量收集模块、整流模块和微针模块共三大模块，合理配置了纳米摩擦发电技术、涂覆技术、喷墨打印技术、模造技术与电泳技术等新型技术，同时因为微针模块结构的特殊性大大降低了患者感受到的疼痛。
20.与现有技术相比，本发明实现的更有益效果包括：
21.1.本发明通过喷墨打印技术，低成本地制备出摩擦发电机、肖特基二极管和微针阵列的电学结构，利用肖特基二极管的单向导通特性过滤摩擦发电机产生的交流电，在两个微针阵列间形成单向直流脉冲电流，进而在微针阵列之间创造电泳场，在微针内的微通道中创造电渗流，促使间质液向收集池中汇集，实现间质液的的快速汲取，为后续电化学原位检测提供足量目标物。
22.2.本发明提供的拱形摩擦发电机利用摩擦生电原理将机械能转换为可以利用的电能，使得通过简单的挤压便能驱动间质液采集装置的运行，具有非常高的便利性与环保性；
23.3.本发明提供的整流模块电路通过喷墨打印技术进行制造，极大简化了工艺，解决了传统电路工艺复杂，制作困难的缺点。基于肖特基二极管的整流模块可将拱形摩擦发电机产生的交流电转换为直流电，为pdms微针电泳效应提供电能；
24.4.本发明提供的微针模块由pdms多孔微针构建，基于柔性材料制成的多孔微针克
服了传统微针易因人体运动导致断裂的问题，大大降低患者对于疼痛的恐惧，同时还通过电泳效应加速间质液提取；
25.5.本发明提供的间质液采集装置的制备方法具有成本低廉、环保无毒的特点，制备过程中并不需要辅助材料的参与、不涉及需要使用大型设备的特殊工艺、不采用毒性较大的试剂。
附图说明
26.图1为基于柔性多孔微针的间质液采集装置示意图。
27.图2为微针阵列间施加直流激励信号的示意图，其中表皮层5做透明化处理。
28.图3为本发明实施例中肖特基二极管结构示意图。
29.附图说明，1-微针模块，11-第一微针阵列，12-第二微针阵列，13-电极板，101-柔性基板，102-多孔微针，103-糖胺聚糖涂层，104-微通道，14-间质液收集池，2-血糖检测模块，3-能量收集模块，31-摩擦发电薄膜，32-连接薄膜，4-整流模块，41-肖特基二极管，411-基体，412-氧化锌层，413-铝电极，414-铂电极，5-表皮层，6-真皮层。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明装置进行详细的说明。
31.如图1至图3所示，本发明提供一种基于柔性多孔微针的间质液采集装置，包括
32.微针模块1，包括两个微针阵列，分别为第一微针阵列11和第二微针阵列12，所述微针阵列包括柔性基板101和阵列分布于柔性基板101上用于刺破表皮的多孔微针102，每个微针阵列的柔性基板101上均设有一个电极板13，所述电极板13通过微流道与相应微针阵列上的多孔微针电学相连，其中第二微针阵列12的柔性基板上101设有与多孔微针102通过多孔结构或者微通道相连的间质液收集池14；
33.能量收集模块3，基于微摩擦发电机原理构建能通过外力按压压电的微拱形摩擦发电机，能通过外力按压产生交流电；
34.整流模块4，基于两个肖特基二极管41和与之相连的导电线路构建的整流电路，将拱形摩擦发电机产生的交流电流整制成直流脉冲电流，为微针模块1供电；
35.整流模块4输出的负极与第二微针阵列12上的电极板13相连，正极与第一微针阵列11上的电极板13相连；用于在两个微针阵列贴敷于人体皮肤上后，在两个微针阵列的多孔微针102之间创造电泳场，在多孔微针内的微流道中创造电渗流，以电泳效应和电渗流效应驱动离子与间质液的定向输送至第二微针阵列12的间质液收集池14。
36.采集的间质液在间质液收集池14既可以进行血糖检测，也可以进行、激素、乳酸、药物浓度等生理信息检测，在本发明的基础上设置对应的检测设备即可，比如cn109730695a-间质液检测装置公开的电化学血糖检测装置或者基于lc谐振电路的血糖检测装置、激素检测装置。
37.正常情况下，本发明微针阵列上多孔微针102内的多孔和微通道104就能将间质液源源不断的吸取并送往血糖检测模块2，当在第一微针阵列11和第二微针阵列12之间施加直流电，构成电泳场和电渗流时，能加快对间质液的吸取采集速度。本发明能源模块所产生的直流电压在0.5v左右，对人体没有任何损伤，仅能促进间质液流动，使得间质液能更快的
收集到间质液收集池14内，能提高检测效率。
38.作为一种优选实施例，对于第二微针阵列12，所述电极板13覆盖于间质液收集池14，所述间质液收集池14充满能够吸收间质液的凝胶，比如pva凝胶，既可以当做间质液的存储介质，也能解决采集初期，电极板13与间质液接触不良问题。
39.作为一种优选实施例，所述柔性基板101的厚度为0.5-3mm，最优为1.5mm。
40.作为一种优选实施例，所述柔性基板101与多孔微针102的材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)，但不限于此。
41.作为一种优选实施例，所述微通道104的等效直径为10μm～30μm。
42.作为一种优选实施例，所述多孔微针102为的针尖锥角为20
°‑
40
°
，孔隙率为40-70％。
43.进一步优选，所述微针为1200μm长与620μm宽的金字塔形微针，尖端角度设置为30
°
，尖端间隔设置为1mm，孔隙率为60％。
44.作为一种优选实施例，所述多孔微针102为柔性多孔微针，所述柔性多孔微针的表面通过涂覆糖胺聚糖进行强化处理，糖胺聚糖无毒无害，生物相容性好，能够大大提高柔性多孔微针的强度，使其能够轻松刺破人体表皮，刺破后，糖胺聚糖在人体间质液的作用下自动降解，使得多孔微针102变得柔软，能跟随人体皮肤动作而变形，因此不易脱出，也不易断裂，使得长期佩戴监测成为可能。
45.作为一种优选实施例，微针阵列具体制备方法如下
46.(1)根据微针阵列的尺寸和分布制备母模，得到微针模具；
47.(2)使用表面活性剂处理微针模具表面；
48.(3)将掺葡萄糖微粒的pdms浇注入模具中，在75℃环境中固化1小时，得到具有60％孔隙率的阵列式柔性多孔pdms微针固化体；
49.(4)将已得到初步固化的微针阵列在去离子水中浸泡48小时以洗去葡萄糖微粒形成孔隙。
50.(5)在模具中填充20％的糖胺聚糖溶液，随后将微针阵列插入模具，并在25℃、50％湿度环境下干燥48小时，凝固的糖胺聚糖层使得微针阵列具备合适的几何和力学特性，能使微针穿透皮肤的同时不弯曲破裂。
51.进一步优选，所述微针模具是一个边长13mm的正方形模板，模板上有169个间距为1mm的金字塔型针头，针头长度为1200μm，宽度为620μm；并在微通道104区域和间质液收集池区域放置芯模，浇注成型后得到具有微通道104和间质液收集池14的微针阵列，将微针阵列的基板作为柔性基板101。
52.需要说明的是，单纯微针阵列制备工艺不限于上述工艺，对本发明核心发明构思不构成影响，具体也可以参考cn106619480a公开的技术制备，在本发明实施例中，既可以先制备微针阵列，然后将其粘附在柔性基板101上组装，也可以在浇注微针阵列时，将微针阵列基板浇注厚一点，直接作为柔性基板101，更优的是，在浇注时，增加芯模，将微针阵列、柔性基板101、微通道104和间质液收集池14一次性成型。
53.作为一种优选实施例，间质液收集池14可以采用浇注直接成型，也可以采用刻蚀法后成型或者激光烧蚀成型，具体不限。
54.作为一种优选实施例，如图1和图3所示，所述整流模块4为基于肖特基二极管41构
建的2个二极管全波整流电路，将拱形摩擦发电机产生的交流电流整制成直流脉冲电流，为微针模块1供电。
55.作为一种优选实施例，如图1所示，所述能量收集模块3包括拱形的摩擦发电薄膜31和将拱形摩擦发电薄膜31两端相连的连接薄膜32，拱形摩擦发电薄膜31和连接薄膜32的相背侧分别设有一个导电电极。
56.所述能量收集模块3制备方法如下：
57.首先准备1片200μm的pdms薄膜和1片纸(具有一定弹性)，再对pdms薄膜一侧表面进行射频功率为20～40w、为期3～6分钟的氧等离子体处理，随后在pdms薄膜和纸向背的一侧表面进行喷墨打印纳米银涂层并干燥，最后在pdms薄膜和纸表面固化形成导电电极；低温烧结后形成低电阻导电结构。其中纳米银电极的厚度可由喷墨打印加工层数控制。完成基本模块制造后，将pdms薄膜和纸片材料两端连接制备出拱形结构，此种机械结构利于实现高效率生电。其工作原理如下：在外力作用下纸与pdms薄膜摩擦接触以分别产生正负电荷；随后去除外力，拱形结构恢复并在回路中产生正向电流；再次向拱形结构施压，在回路中产生负向电流。周而复始，便可生成可供后续利用的交流电流。
58.本发明的整流电路如图1所示，将两个肖特基二极管41顺序连接在能量收集模块和微针模块之间，当通过能量收集模块产生的电流方向为顺时针时，两个肖特基二极管41导通，建立第一微针阵列11为正极、第二微针阵列12为负极的直流电场，当能量收集模块产生的电流方向为逆时针时，两个肖特基二极管41均不导通，产生的电流在导电线中自然消耗掉(由于电流和电压相对非常小，所以可以自然消耗)，因此通过整流电路后产生的是脉冲直流电。
59.作为一种优选实施例，肖特基二极管41的结构如图3所示，肖特基二极管41制备方法如下：
60.采用喷墨打印技术在基体411上打印醋酸锌层，氧化后形成氧化锌层412；
61.在氧化锌层412上采用喷墨技术打印纳米铂结构和纳米铝结构，形成铂电极414和铝电极413；低温烧结后形成低电阻导电结构。
62.作为一种优选实施例，在喷墨打印醋酸锌层、纳米铂结构和纳米铝结构之前，采用氧等离子体或臭氧处理衬底表面以提升线路打印质量。
63.铂层和氧化锌层412为肖特基接触，氧化锌层412和铝层之间为欧姆接触，因此整个铝/氧化锌/铂三层结构的电学性能呈肖特基特性，如此即可完成肖特基二极管41结构的制造。
64.完成上述制备后，如图2所示，将能量收集模块3、整流模块4、两个微针阵列和血糖检测模块2组合在一起，能量收集模块3、整流模块4和两个微针阵列之间通过整流电路方式相连，对两个微针阵列上的电极板13供电，将两个微针阵列贴附于人体皮肤上，多孔微针102由于糖胺聚糖涂层增强作用刺破皮肤的表皮层5，由于多孔微针102长度不够，无法刺破真皮层6，之后糖胺聚糖涂层在间质液作用下生物降解，多孔微针102重新变成柔性微针，需要提供检测效率时，用外力按压能量收集模块3(拱形摩擦发电机)的拱形，使其产生交流电，通过由两个肖特基二极管41组成的全波形整流电路整形后变成脉冲直流电，给两个微针阵列的电极板13之间供电，形成电泳场，两个微针阵列之间的间质液在电泳效应作用下定向输送至具有血糖检测模块2的微针阵列，并通过该微针阵列的多孔微针102及微通道
104进入间质液收集池14，通过血糖检测模块2对进入间质液收集池14内的间质液进行血糖浓度检测，当然也可以更改检测装置，进行其他类型参数检测。
65.本实施例中间质液采集装置在成功实现间质液生理参数监测的同时，兼具绿色环保、无痛无创、高效可靠的优势点，可以高精度、高灵敏度、高可靠性地实现对血糖、激素浓度等生理参数实时响应，解决了间质液原位连续监测过程中间质液采集慢的难题，其制备方法主要采用喷墨打印技术与模造技术，具有数字制造的可编辑参数、研发周期短、工艺简单等优点，适合投入大规模工业化的生产，可应用于糖尿病患者自检血糖浓度、快速检测血糖等实际场景。
66.需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，目的在于让本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不用于限制本发明。在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。