MEMS微針陣列及其在生物醫學(xué)上的應用 2013-02-18

1 引言

微機電系統（MEMS）是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和 電源等于一體的微型器件或系統。MEMS的特點(diǎn)之一就是其涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科， 并集約了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

微機電系統能夠在傳統儀器不能達到的微小空間中進(jìn)行精密操作， 實(shí)現實(shí)時(shí)監測， 因而在生物醫學(xué)中有著(zhù)廣泛的應用， 精確藥物注射、臨床監測、顯微外科手術(shù)、微型植入系統等。MEMS技術(shù)的出現給生物醫學(xué)帶來(lái)了新的手段。微針陣列就是MEMS技術(shù)在醫學(xué)上的一個(gè)重要應用。

微針（Micro needles）一般指通過(guò)微細加工工藝制作的， 尺寸在微米級， 直徑在30～80Lm， 長(cháng)度100Lm以上呈針狀的結構， 材料可以為硅、聚合物、金屬等。微針在生物醫學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應用， 例如用于生物醫學(xué)測量系統， 藥物傳輸系統及微量采樣分析系統等。微針不但體積微小， 而且在性能上具有常規方法所不可比擬的特性——精確， 無(wú)痛， 高效， 便利。這極大促進(jìn)了生物醫學(xué)的發(fā)展， 使該領(lǐng)域的儀器更具人性化。

為了更好地說(shuō)明MEMS微針陣列的生物醫學(xué)上的性能， 先介紹一下涉及到的人體皮膚的結構。人的外層皮膚， 由外向內， 依次是角質(zhì)層， 表皮層和真皮層。角質(zhì)外層的厚度在10～15Lm， 是死去細胞的組織， 是液體的屏障， 具有電絕緣性。下面是表皮（50～100Lm）， 包括活細胞， 但繞開(kāi)了血管， 幾乎不包括神經(jīng)， 這層皮膚是相當于電解液的導電組織。再深層， 真皮形成了皮膚大部分的體積， 它不但包括活細胞， 而且包括神經(jīng)和血管。這樣， 微針刺穿皮膚10～15Lm， 而小于50～100Lm的深度， 可以提供穿過(guò)角質(zhì)層的傳送通道， 達到導電組織， 而由于刺不到深層組織的神經(jīng)不會(huì )有痛感。

MEMS生物微針技術(shù)出現了并不是很長(cháng)的時(shí)間， 目前我國國內這個(gè)方向的研究剛剛起步， 還很不 成熟， 踞國外研究的先進(jìn)水平還有很大差距。下面就微針較為廣泛的三個(gè)方面的應用原理及當前該技術(shù)的最新進(jìn)展進(jìn)行闡述。

2 微針陣列在生物醫學(xué)上的應用

2.1 基于微針陣列的微電極

電極在生物醫學(xué)測量工作中有著(zhù)極為廣泛的應用。電極的用途可以分為3大類(lèi)型：（1）測量生物電 位的電極， 如測量腦電、心電、神經(jīng)電位、肌肉及皮膚電位的電極;（2）測量某些組織的阻抗;（3）通過(guò)電極給一些組織和器官施加電刺激， 從而促使機體的某些部分發(fā)生一定變化， 如心臟起搏器中電極、穴位刺激電極等。隨著(zhù)電化學(xué)及微系統相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 微電極在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用。

現以生物電位電極為例， 介紹微針陣列電極的應用。

生物電位電極廣泛應用于現代臨床和生物醫學(xué)應用（例如心電圖 ECG， 腦電圖 EEG 和電阻抗攝影EIT）。如果使用不適當地電極測量電子設備可能顯示錯誤的數據， 因此電極的重要性是不容忽視的。

生物電位微針陣列電極可以刺穿皮膚的角質(zhì)層， 這樣避開(kāi)了皮膚角質(zhì)層高阻抗特性， 與普通電位電極比較， 不需要皮膚準備和電解凝膠， 更有利于長(cháng)期測量使用。因此微針電極更方便可靠， 具有更小的阻抗， 而且預計有較小的電化學(xué)噪聲。

微針電極的設計要考慮到皮膚的分層結構， 需要刺穿角質(zhì)層， 刺入導電表皮層， 以避開(kāi)角質(zhì)層的高阻抗特性， 不能刺到真皮層（包括神經(jīng)和血管）以避免疼痛和出血。這樣， 微針刺入的深度大于10～15Lm小于50～100Lm， 在角質(zhì)層產(chǎn)生一個(gè)無(wú)痛的電極-電解液界面并把活性細胞引起離子流轉化成電流。

瑞典斯德哥爾摩皇家工程學(xué)院設計制作的微針陣列， 微針以硅為材料， 為了減少電極-電解液界面噪音， 微針覆蓋上銀- 氯化銀（Ag-AgCl）， 只有AgCl和電解液接觸。使用Ag的優(yōu)點(diǎn)是低電阻率和 生物醫學(xué)兼容性。微針直徑在30～50Lm， 高度160Lm， 中間有一通孔。

微針電極通過(guò)一根導線(xiàn)和分析儀器相連。微針陣列中間設計一個(gè)通孔， 保證電極和導線(xiàn)的之間能夠導電。用一個(gè)薄薄的圓盤(pán)進(jìn)行封裝， 環(huán)形膠帶加固電極和皮膚的連接。

通過(guò)實(shí)驗證明基于MEMS工藝的微針陣列生物電位電極比標準電極體積顯著(zhù)減小， 電極-皮膚-電極阻抗測量和EEG記錄證明微針式電極不需要皮膚準備和電解凝膠就可獲得比標準電極更好的性能。微針電極使用起來(lái)快速方便， 可以完成低生物電位的高質(zhì)量記錄。

2.2 經(jīng)皮藥物傳輸微針

雖然現代生物技術(shù)已生產(chǎn)出極為成熟和有效的藥物， 但是許多藥物的有效傳輸受到目前的傳送技術(shù)（藥品口服和注射）的限制?？诜端幹饕膯?wèn)題就在于在胃腸道中藥物的降解作用和通過(guò)肝臟藥物的排出。另一種通常用的投藥的途徑是經(jīng)過(guò)靜脈注射， 這種方法在非醫療場(chǎng)所不易使用， 也不好維持和控制藥物的釋放， 并且對于患者來(lái)說(shuō)不方便， 有痛感。通過(guò)皮膚傳送藥物是很吸引人的新型方法， 但是這種方法由于皮膚極差的滲透性受到限制。由上所述， 微針陣列提供一種新型傳送藥物的方法， 可以增強經(jīng)皮膚對藥物分子的傳輸， 實(shí)現高效、無(wú)痛投藥。微針陣列刺入皮膚， 創(chuàng )造了通過(guò)角質(zhì)層傳輸藥物的導管， 一旦藥物穿過(guò)角質(zhì)層， 它就通過(guò)深層組織迅速擴散并被下面的毛細血管吸收， 形成投藥系統。