CN101779971A - 微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，有微管路和多个用于控制微管路打开和关闭的控制阀，具体构成是生理盐水腔通过微管路与组织液抽取腔相连通，通过微管路与该抽取和收集装置的外部相连通；组织液抽取腔还通过微管路分别与收集腔、真空文氏管发生器以及该抽取和收集装置的外部相连通；收集腔通过微管路分别与真空文氏管发生器以及该抽取和收集装置的外部相连通。本发明利用微型真空文氏管发生器产生真空负压，实现了微量组织液抽取和收集的一体化，解决了微量组织液抽取后收集困难的问题；减小了透皮抽取获得的组织液在微管路中的损失；实现了生理盐水腔、组织液抽取腔、收集腔、真空文氏管发生器、可控阀、微管路等结构的集成和微型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种组织液透皮抽取和收集装置。特别是涉及一种基于PDMS微流体技术的，微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置。
背景技术
糖尿病是中老年人的常见和多发病，随着人们生活水平的提高，糖尿病的发病率也日益上升，世界卫生组织将它和肿瘤，心脑血管病一起列为世界范围内的三大难症。据国际糖尿病联合会估计，目前全球糖尿病患者已超过2.4亿，到2025年这一数字将增加到3.5亿；同时，据最新统计目前我国共有糖尿病患者近4050万，占世界患者总数的20％左右，每年糖尿病医疗费用达833亿元。糖尿病造成的医疗开支巨幅增长，并给发展中国家带来劳动力的巨大损失，已被公认为愈来愈严重，且存在于全世界所有国家的普遍性公共卫生健康问题。积极预防和治疗糖尿病已迫在眉睫。
目前的糖尿病检测方法主要依靠的是有创测量，即通常需要从病人的手指处取血，然后依靠化学的方法，测定病人血液中葡萄糖的浓度，有创方法在血糖检测过程中需要消耗品，每次对病人进行血糖检测时都会对病人产生一定程度的伤害，给他们带来痛苦并有感染的危险，且这种方法最大的缺点就是不能实现人体血糖浓度的动态检测，无法反映病人血糖浓度的实时变化情况，达不到很好的辅助治疗的效果，比如定期的取指血试验经常不能探测到所有的低血糖事件和高血糖事件，特别是夜间的低血糖经常是测不到的。
为了实现血糖浓度的动态、连续检测，人们尝试了多种方法，例如体外光学检测的无创方法、直接测量皮下葡萄糖浓度的植入式方法和透皮抽取检测组织液中葡萄糖浓度的微创方法。由于无创方法的检测精度有限和可靠性较低等缺点，一直未能实现临床应用，尚处于研究阶段。植入式方法并非为日常应用而设计，它需要经过训练的人员将葡萄糖传感器植入皮下，因此无法方便的操作。组织液中的葡萄糖水平与血糖水平有高相关性，为透皮抽取和检测组织液中葡萄糖浓度的微创方法提供了检测依据。鉴于微创方法一方面可以减轻患者进行血糖检测的痛苦，减弱感染的危险，另一方面可以实现血糖浓度的动态、连续检测，微创方法近年来倍受关注。
鉴于微创血糖检测方法透皮抽取组织液样品受到皮肤低通透性的限制，人们提出了多种提高分子透皮传输的方法，包括用化学药品改变皮肤结构、利用电场方法和利用超声方法等。在用低频超声对皮肤进行预处理后，采用真空负压抽取组织液的方法是一种微创、无痛且具有较大组织液流量的技术，该方法所得到的葡萄糖流量可以达到反向离子电渗法所获得葡萄糖流量的25倍。但是利用传统的真空发生装置、管路和控制阀，一方面组织液透皮抽取量很小，组织液的收集非常困难，在管路和控制阀中的损失也很厉害，对组织液检测环节的要求很高；另一方面，难以实现组织液透皮抽取和收集装置的微型化和集成化，要获得可满足病人临床应用需要的便携式的微创血糖检测系统就更加困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对人体血糖浓度微创、动态、连续检测的需要，基于PDMS微流体技术的，微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置。
本发明所采用的技术方案是：一种微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，包括有：通过微管路连通的生理盐水腔、组织液抽取腔、收集腔、真空文氏管发生器和多个用于控制微管路的打开和关闭的控制阀，其中，所述的生理盐水腔通过微管路与组织液抽取腔相连通，还通过微管路与该抽取和收集装置外部相连通；所述的组织液抽取腔还通过微管路分别与收集腔、真空文氏管发生器以及该抽取和收集装置外部相连通；所述的收集腔还通过微管路分别与真空文氏管发生器以及该抽取和收集装置外部相连通。
所述的生理盐水腔与该抽取和收集装置外部相连通，包括与用于提供生理盐水的外部生理盐水源相连通。
所述的生理盐水腔与该抽取和收集装置外部相连通，包括与用于利用真空负压实现生理盐水定量注入的大气相连通。
所述的生理盐水腔和组织液抽取腔之间设置有第三控制阀、组织液抽取腔和收集腔之间设置有第四控制阀、组织液抽取腔和真空文氏管发生器之间设置有第一控制阀、组织液抽取腔和该抽取和收集装置外部之间设置有第六控制阀、收集腔和真空文氏管发生器之间设置有第二控制阀、收集腔和该抽取和收集装置外部之间的微管路上设置有第五控制阀。
所述的第一至第六控制阀采用有源可控阀。
所述的有源可控阀包括有气动阀或压电阀或静电阀。
所述的微管路包括既可以通过液体也可以通过气体的微管路，以及只能通过气体的微管路。
所述的即可以通过液体也可以通过气体的微管路包括：连通生理盐水腔和组织液抽取腔的微管路，连通生理盐水腔和该抽取和收集装置外部的微管路，连通组织液抽取腔和收集腔的微管路，连通收集腔和该抽取和收集装置外部的微管路。
所述的只能通过气体的微管路包括：连通组织液抽取腔和真空文氏管发生器的微管路，连通组织液抽取腔和该抽取和收集装置外部的微管路，连通收集腔和真空文氏管发生器的微管路。
该装置是由多层聚二甲基硅氧烷绑定而成。
本发明的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，具有如下特点：
1.本发明利用微型真空文氏管发生器产生真空负压，为组织液透皮抽取和收集装置提供统一和可控的驱动力，实现了微量组织液抽取和收集的一体化，解决了微量组织液抽取后收集困难的问题；
2.本发明利用PDMS材料的高疏水性，显著减小了透皮抽取获得的组织液在微管路中的损失；
3.本发明利用多层PDMS结构实现了生理盐水腔、组织液抽取腔、收集腔、真空文氏管发生器、可控阀、微管路等结构的集成和微型化。
附图说明
图1是本发明的组织液透皮抽取和收集装置的结构示意框图；
图2是生理盐水腔的结构示意图；
图3是组织液抽取腔的结构示意图；
图4是收集腔的结构示意图；
图5是真空文氏管发生器的结构示意图；
图6是文氏管层真空文氏管发生器的结构示意图；
图7是控制阀的结构示意图。
其中：
1：生理盐水腔 2：组织液抽取腔
3：收集腔 4：真空文氏管发生器
5：第一控制阀 6：第二控制阀
7：第三控制阀 8：第四控制阀
9：第五控制阀 10：第六控制阀
11：生理盐水腔连接系统外部的微管路
12：生理盐水腔连接第三控制阀的微管路
13：组织液抽取腔连接第一控制阀的微管路
14：组织液抽取腔连接第六控制阀的微管路
15：组织液抽取腔连接第三控制阀的微管路
16：组织液抽取腔连接第四控制阀的微管路
17：收集腔连接第四控制阀的微管路
18：收集腔连接第二控制阀的微管路
19：收集腔连接第五控制阀的微管路
20：压力腔 21：发泡剂
22：电极 23：正压输入孔
24：负压输出微管路 25：气体输出端
26：通气孔 27：控制阀薄膜
28：文氏管层微管路 29：膜层微管路
a：顶层 b：支撑层
c：膜层 d：文氏管层
e：基底层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置做出详细说明。
如图1所示，本发明的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，是由多层聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)绑定而成，包括有：通过微管路连通的生理盐水腔1、组织液抽取腔2、收集腔3、真空文氏管发生器4和多个用于控制微管路的打开和关闭的控制阀5、6、7、8、9、10，其中，所述的生理盐水腔1通过微管路与组织液抽取腔2相连通，还通过微管路与该抽取和收集装置外部相连通，所述的生理盐水腔1与该抽取和收集装置外部相连通，包括与用于提供生理盐水的外部生理盐水源相连通，可以实现生理盐水腔1内生理盐水的补给，以及与用于利用真空负压实现生理盐水定量注入的大气相连通；所述的组织液抽取腔2还通过微管路分别与收集腔3、真空文氏管发生器4以及该抽取和收集装置外部气体相连通，所述的真空文氏管发生器4产生的真空负压通过微管路连接到组织液抽取腔2时，一方面可以实现生理盐水的定量注入，另一方面可以实现组织液的定压定时抽取；所述的收集腔3还通过微管路分别与真空文氏管发生器4以及该抽取和收集装置外部气体相连通，真空文氏管发生器4产生的真空负压通过微管路连接到收集腔3时，可以实现组织液的收集。
所述的生理盐水腔1和组织液抽取腔2之间设置有第三控制阀7、组织液抽取腔2和收集腔3之间设置有第四控制阀8、组织液抽取腔2和真空文氏管发生器4之间设置有第一控制阀5、组织液抽取腔2和该抽取和收集装置外部之间设置有第六控制阀10、收集腔3和真空文氏管发生器4之间设置有第二控制阀6、收集腔3和该抽取和收集装置外部之间的微管路上设置有第五控制阀9。所述的第一至第六控制阀5、6、7、8、9、10采用有源可控阀。所述的有源可控阀包括有气动阀或压电阀或静电阀。
所述的微管路包括既可以通过液体也可以通过气体的微管路，以及只能通过气体的微管路。
所述的即可以通过液体也可以通过气体的微管路包括：连通生理盐水腔1和组织液抽取腔2的微管路，连通生理盐水腔1和该抽取和收集装置外部的微管路，连通组织液抽取腔2和收集腔3的微管路，连通收集腔3和该抽取和收集装置外部的微管路。
所述的只能通过气体的微管路包括：连通组织液抽取腔2和真空文氏管发生器4的微管路，连通组织液抽取腔2和该抽取和收集装置外部的微管路，连通收集腔3和真空文氏管发生器4的微管路。
如图2～图7所示，本发明的微型化的、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，是基于PDMS微流体技术的，微型化的、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，是由顶层、支撑层、膜层、文氏管层和基底层这五层PDMS绑定而成。其中，文氏管层的真空文氏管发生器4结构，膜层的控制阀5、6、7、8、9、10薄膜，以及这两层中相互连接的微管路采用模塑法加工PDMS得到；生理盐水腔1、组织液抽取腔2、收集腔3、位于真空文氏管发生器4内和多个控制阀5、6、7、8、9、10内的压力腔和各层之间相连通的微管路是通过在PDMS层状结构中打通孔获得；压力源通过在顶层加工电极并沉积发泡剂获得。压力源由压力腔、电极和发泡剂三部分组成，给电极供电，电极加热发泡剂产生的气体使压力腔内的气压升高，为控制阀的关闭提供动力，为真空文氏管发生器提供正压输入。该装置利用真空文氏管发生器输出的真空负压，在控制阀的调控下实现生理盐水的定量注入，组织液的定压定时抽取和组织液的收集。
本发明的微型化的、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，是通过以下步骤实现生理盐水的定量注入，组织液的定压定时抽取和组织液的收集：
(一)装置初始化
(1)采用注射器通过生理盐水腔1连接系统外部微管路11向生理盐水腔1内注入生理盐水，注满后，移走注射器；
(2)给第一至第六控制阀5-10的压力腔20内的电极22供电，电极22加热发泡剂21产生的气体使压力腔20内的气压升高，导致控制阀薄膜27变形，向下弯曲，关闭第一至第六控制阀5-10；
(3)为与真空文氏管发生器4相连的压力腔20内的电极22供电，电极22加热发泡剂21产生的气体从压力腔20通过正压输入孔23进入真空文氏管发生器4。气体通过真空文氏管发生器4，从气体输出端25排出装置，在真空文氏管发生器的喉管部分产生负压，该负压通过负压输出微管路24为装置实现生理盐水的定量注入，组织液的定压定时抽取和组织液的收集提供动力。
(二)生理盐水的定量注入
(1)停止给第一控制阀5和第三控制阀7的压力腔20内的电极22供电，电极22和发泡剂21的温度降低，发泡剂21停止产生气体，压力腔20内的气体通过通气孔26输出到大气中，使压力腔内的气体压力快速降低，控制阀薄膜变形快速减小，打开第一控制阀5和第三控制阀7，生理盐水腔内1的生理盐水在真空负压的作用下注入组织液抽取腔2，并在打开第一控制阀5和第三控制阀7的同时开始计时；
(2)在注入生理盐水一定时间后，给第三控制阀7的压力腔20内的电极22供电，关闭第三控制阀7，完成生理盐水的定量注入。
鉴于透皮抽取到的组织液在皮肤表面呈散点状分布，且组织液的体积量非常微小，难于收集，故而向组织液抽取腔内注入生理盐水，用于溶合呈散点状分布的微量组织液。注入生理盐水的体积由生理盐水注入的流速和时间决定，生理盐水注入的流速由真空文氏管发生器输出的负压决定，对于固定结构的文氏管，其输出的负压由其输入正压决定，真空文氏管发生器的输入正压由电极的温度和电极上沉积发泡剂的多少决定。在电极上沉积固定量的发泡剂之后，通过控制输入电极的电功率来控制电极的温度，进而控制生理盐水注入的流速；再通过控制第三控制阀打开和关闭之间的时间，即可实现生理盐水的定量注入。生理盐水有利于后续组织液的收集，其定量注入为提高检测环节的精度奠定了基础。
(三)组织液的定压定时抽取
在生理盐水定量注入后，关闭第三控制阀7的同时开始计时。此时只有第一控制阀5是打开的，组织液抽取腔2通过打开的第一控制阀5直接连接到真空文氏管发生器4，进行组织液的定压抽取。在一定的抽取时间之后，关闭第一控制阀5，打开第六控制阀10，完成组织液的定压定时抽取。关闭第一控制阀5是为了截断真空负压源——真空文氏管发生器4与组织液抽取腔2之间的连接，停止负压抽取；打开第六控制阀10是为了将组织液抽取腔2与大气连通，使组织液抽取腔2中的压力快速恢复到大气压。组织液的定压定时抽取为保持组织液抽取过程的一致性提供了保证。
(四)组织液的收集
(1)打开第二控制阀6和第四控制阀8，利用真空文氏管发生器4输出的负压将组织液抽取腔2中的组织液收集到收集腔3中；
(2)关闭第二控制阀6、第四控制阀8和第六控制阀10，完成组织液的收集，收集起来的组织液可供检测和分析使用。
重复步骤(二)、(三)和(四)可以进行多次生理盐水注入、组织液抽取和收集的循环。
(五)结束
(1)停止为与真空文氏管发生器4相连的压力腔20内的电极22供电，电极22和发泡剂21的温度降低，发泡剂21停止产生气体，真空文氏管发生器4停止输出负压；
(2)打开第一至第六控制阀5～10；
(3)将注射器连接到与第五控制阀9相连接的通往系统外部的微管路，排空收集腔和生理盐水腔内残留的液体。
本发明公开和揭示的所有组合和方法可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合和方法已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。
Claims (10)
1.一种微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，包括有：通过微管路连通的生理盐水腔(1)、组织液抽取腔(2)、收集腔(3)、真空文氏管发生器(4)和多个用于控制微管路的打开和关闭的控制阀(5、6、7、8、9、10)，其中，所述的生理盐水腔(1)通过微管路与组织液抽取腔(2)相连通，还通过微管路与该抽取和收集装置外部相连通；所述的组织液抽取腔(2)还通过微管路分别与收集腔(3)、真空文氏管发生器(4)以及该抽取和收集装置外部相连通；所述的收集腔(3)还通过微管路分别与真空文氏管发生器(4)以及该抽取和收集装置外部相连通。
2.根据权利要求1所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的生理盐水腔(1)与该抽取和收集装置外部相连通，包括与用于提供生理盐水的外部生理盐水源相连通。
3.根据权利要求1所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的生理盐水腔(1)与该抽取和收集装置外部相连通，包括与用于利用真空负压实现生理盐水定量注入的大气相连通。
4.根据权利要求1所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的生理盐水腔(1)和组织液抽取腔(2)之间设置有第三控制阀(7)、组织液抽取腔(2)和收集腔(3)之间设置有第四控制阀(8)、组织液抽取腔(2)和真空文氏管发生器(4)之间设置有第一控制阀(5)、组织液抽取腔(2)和该抽取和收集装置外部之间设置有第六控制阀(10)、收集腔(3)和真空文氏管发生器(4)之间设置有第二控制阀(6)、收集腔(3)和该抽取和收集装置外部之间的微管路上设置有第五控制阀(9)。
5.根据权利要求4所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的第一至第六控制阀(5、6、7、8、9、10)采用有源可控阀。
6.根据权利要求5所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的有源可控阀包括有气动阀或压电阀或静电阀。
7.根据权利要求1所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的微管路包括既可以通过液体也可以通过气体的微管路，以及只能通过气体的微管路。
8.根据权利要求7所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的即可以通过液体也可以通过气体的微管路包括：连通生理盐水腔(1)和组织液抽取腔(2)的微管路，连通生理盐水腔(1)和该抽取和收集装置外部的微管路，连通组织液抽取腔(2)和收集腔(3)的微管路，连通收集腔(3)和该抽取和收集装置外部的微管路。
9.根据权利要求7所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，所述的只能通过气体的微管路包括：连通组织液抽取腔(2)和真空文氏管发生器(4)的微管路，连通组织液抽取腔(2)和该抽取和收集装置外部的微管路，连通收集腔(3)和真空文氏管发生器(4)的微管路。
10.根据权利要求1所述的微型化、动态可控的组织液透皮抽取和收集装置，其特征在于，该装置是由多层聚二甲基硅氧烷绑定而成。
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