CN101784225A - 用于探测环境状态的水凝胶基设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于探测环境状态或者环境状态的变化，特别是用于探测生物材料内的环境状态的换能器设备(100，200，300，400)。该换能器设备(100，200，300，400)包含：通道(2，22，51)，该通道包含流体；水凝胶材料(1，21，51)，该水凝胶材料适于在与该生物材料接触时和/或在探测到环境状态变化时改变其体积，且该水凝胶材料机械耦合到该通道(2，22，51)，以使得当该水凝胶材料(1，21，51)的体积变化时，该通道(2，22，51)的容积变化。该换能器设备(100，200，300，400)还包含传感器(11，12，25，35)，该传感器适于在探测到由该通道(2，22，51)的容积变化引起的该流体的物理属性改变时产生信号。通过在体腔内应用根据本发明的该换能器设备(100，200，300，400)，可以精确监测该水凝胶材料(1，21，51)所敏感的生理参数。还可以将该换能器设备(100，200，300，400)应用到体腔外，例如监测体腔外的患者血液。

Description

用于探测环境状态的水凝胶基设备

发明领域

本发明涉及一种用于探测环境状态，具体而言用于探测生物材料内的环境状态的换能器设备。

此外，本发明涉及包含所描述的换能器设备的医疗系统。

再者，本发明涉及用于通过换能器设备来探测环境状态，具体而言探测生物材料内的环境状态的方法。

背景技术

能够监测小体积体液的高敏感性、选择性和鲁棒性的传感器是用于开发响应性药物递送系统的关键部件之一。蛋白质工程和分子生物学使生物试剂的分子设计变得容易，这些生物试剂作为感测元件被用于提供高选择性、良好响应时间和低探测极限的各种系统。另外，生物传感器已被开发用于生理学相关分子，例如神经递质和荷尔蒙。

刺激敏感水凝胶已经在致动器、传感器、药物递送和生物分离中见诸应用。这些材料能够可逆地响应于外部刺激，该外部刺激引起对该材料的物理属性的明显可测量的影响。已知水凝胶对pH、离子浓度、温度、溶剂组分以及电势敏感。水凝胶也可以设计成在存在目标分子时膨胀。水凝胶可以构造成使得膨胀的幅值可以与所存在配体的浓度成比例。

刺激敏感水凝胶在用于药物递送的可植入微型系统中的应用从US 2004/024832得知，其中流动经过通道的流体被水凝胶响应于与该水凝胶接触的介质内的预定刺激所调节。可逆体积变化导致该通道的可逆选通，这允许该微型部件充当主动型微阀。按照这种方式，水凝胶致动的微阀响应于预定化合物而将水凝胶体积变化耦合到通过膜来开启和关闭该通道。

该已知系统的缺点在于，其仅能够进行药物递送而不能精确监测体腔外部和/或内部的生理参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于探测环境状态或者环境状态的变化、具体而言用于探测生物材料内的环境状态的换能器设备，该换能器设备能够精确监测体腔外部和/或内部的生理参数。本发明由独立权利要求限定。优选实施例由从属权利要求限定。

该目的是通过根据本发明的换能器设备来实现的，其中该换能器设备包含：通道，该通道包含流体；水凝胶材料，该水凝胶材料适于在与环境材料接触时和/或在探测到环境变化时改变其体积，且该水凝胶材料机械地耦合到该通道，以使得当该水凝胶材料的体积变化时，该通道的容积变化；以及传感器，该传感器适于在探测到由该通道的容积变化引起的该流体的物理属性改变时产生信号。

该水凝胶材料适于对可以是物理、化学或生物属性、条件或对象的环境状态和/或环境状态变化敏感。水凝胶材料的环境(例如温度或pH)变化和/或与例如特定分子的环境材料的接触，引起水凝胶材料的体积变化。响应于水凝胶材料的体积变化，由于水凝胶材料和通道之间的特定机械接触，通道的容积也变化。该通道的容积变化将影响通道内流体的物理属性，例如压力、流量或透明度。该传感器探测该流体的物理属性变化且由此产生信号。按照这种方式，该换能器设备在该水凝胶材料对环境变化有反应和/或与环境材料接触的情况下产生信号，其中该水凝胶材料对此二者均敏感。由根据本发明的换能器设备的传感器产生的信号实际上是对该换能器设备的环境变化和/或环境材料的监测。该信号可用于不同目的，例如用于触发例如药物递送或存储数据在存储器内供医学专家以后使用这样的事件。通过在体腔内应用根据本发明的换能器设备，可以精确监测该水凝胶材料所敏感的生理参数。还可以将该换能器设备应用到体腔之外，以例如监测体腔外的患者血液。该流体可以是属性受环境状态和/或环境材料影响的待监测的材料或者承载流体。

该目的还通过一种用于通过换能器设备探测环境状态，特别是用于探测生物材料内的环境状态的方法来实现，该换能器设备包含水凝胶材料以及含有流体的通道，该方法包含下述步骤：

使该换能器设备与该生物材料接触，以使得水凝胶材料改变其体积，引起该通道的容积变化，

在探测到由该通道的容积变化引起的该流体的物理属性改变时产生信号。

该目的还通过一种医疗系统来实现，该医疗系统包含根据本发明的换能器设备，以及药物释放设备，该药物释放设备耦合到该换能器设备且该药物释放设备适于在由该换能器设备的信号触发时递送特定量的药物。按照这种方式，根据本发明的换能器设备的监测功能有利地用于触发药物递送。

在根据本发明的换能器设备的实施例中，该传感器适于测量该通道内该流体的压力和/或流量变化。水凝胶材料的体积变化会引起例如该通道内流体的流量和压力变化。流量和压力变化的量由传感器测量且此变化可用于计算水凝胶材料的体积变化，利用水凝胶材料的已知属性，该体积变化可用于提取换能器设备的环境和/或环境材料的物理属性的变化量。据此由该传感器产生恰当的信号。

在根据本发明的换能器设备的另一实施例中，该换能器设备还包含光源，该光源适于照射光到该通道内，以及其中该传感器适于测量该通道内流体的光学属性变化。该通道的容积变化影响该流体的光学属性，诸如例如光吸收，因为在水凝胶材料的体积变化时该流体内光路径长度变化了。

在根据本发明的换能器设备的实施例中，该换能器设备包含基板，其中传感器集成在该基板内，以及该通道和水凝胶材料形成在该基板上。按照这种方式，获得了一种紧凑和小尺寸的换能器设备，该换能器设备例如可以有利地在体腔内应用。在优选实施例中，该光源集成在基板内。

在本发明的换能器设备的实施例中，该换能器设备还包含与该传感器电接触的电子电路。按照这种方式，换能器设备的功能性得以增强。例如，该电子电路包含用于存储由该传感器产生的信号的存储设备。

在根据本发明的换能器设备的实施例中，该换能器设备还包含发射机单元，该发射机器单元适于与外部接收单元进行通信。按照这种方式，换能器设备例如可以在体腔内应用，而无需用于控制该换能器设备或者用于接收该传感器的信号的引线。

附图说明

本发明的这些和其他方面将参考附图进一步阐明和描述，其中：

图1a为根据本发明的换能器设备的实施例的截面图；

图1b为图1b所示换能器设备的一部分的透视图；

图2a和2b为根据本发明的换能器设备的第二实施例的截面图；

图3a和3b为根据本发明的换能器设备的第三实施例的截面图；以及

图4为根据本发明的换能器设备的第四实施例的截面图。

附图未按比例绘制。一般而言，相同部件在附图中使用同一参考符号表示。

发明详述

刺激敏感水凝胶材料在致动器、传感器、药物递送、生物分离和生物医学中见诸应用。这些材料能够可逆地响应于外部刺激，其中该外部刺激引起对该材料的物理属性的明显可测量的影响。已知水凝胶材料对pH、离子浓度、温度、溶剂组成以及电势敏感。这些参数引起相、形状、力学、折射率、识别或者渗透速率方面的变化，该变化随后可以逆转以使材料返回到其初始状态。刺激敏感水凝胶材料也已经与酶、蛋白质模拟和抗体相整合来设计可控致动器。这些水凝胶材料已经表现出在添加目标分子时会膨胀。这些水凝胶材料的膨胀量归因于聚合物网络内非共价相互作用的变化。水凝胶材料也可以设计成在存在目标分子时膨胀。他们甚至可以构造成使得膨胀的幅值可以与所存在的目标分子的浓度成比例。如果材料例如对非常小的pH变化非常敏感，则可获得巨大的膨胀率。典型的pH敏感的水凝胶材料为聚丙烯酸(PAA)，典型的温度敏感的水凝胶材料为N-异丙基丙烯酰胺(NPA)。一些刺激响应水凝胶材料另外响应于例如温度的外部刺激而出现光学属性非常陡峭的变化。已知这种效应的示例为较低的临界溶解温度。实际上，一些水凝胶材料在温度增大时出现非常锐的相变，并从光学透明材料转变为散射材料。这些水凝胶材料的较低临界溶解温度的事实可以通过共聚合调节到接近人体温度(37℃)，并且使用添加剂进一步使他们在活体内应用中是可行的。再者，使用水基材料减缓了人体免疫系统对外来物体的包裹过程，这使得水凝胶材料极具吸引力地作为长效的可植入化学物理传感器的基础。水凝胶基换能器因此可形成长效的可植入感测系统，使得可以精确监测人体/动物体外部和/或内部的生理参数。所提出的换能器设备利用水凝胶材料对环境变化(例如pH、温度)或者特定分子的响应。为了对存在特定分子(分析物)敏感，水凝胶应使用如下特定“分析物-分析物结合分子”复合物来“调整”：例如作为分析物的抗原和作为分析物结合分子的抗体，或者作为分析物的碳水化合物和作为分析物结合分子的凝集素。

图1a示出根据本发明的换能器设备的实施例的示意性截面图，图1b示出根据本发明的换能器设备的一部分的透视图。换能器设备100集成在基板10中和上，该基板由例如硅材料制成。压力传感器11和流量传感器12形成于基板10中且通过隔离层4(例如二氧化硅)与通道2隔离。传感器11和12电连接到电子电路13，该电子电路也集成在基板10内。电子电路13例如适于接收来自传感器11和12的信号，并根据这些信号并结合其他所需数据来计算环境变化的量或者环境材料的量。通道2包含流体(例如血液)。可替换地，该流体可以是属性由环境状态或环境材料改变的承载流体。水凝胶材料层1在通道2之上延伸且被保护层3覆盖，该保护层例如由玻璃、硅氧化物、硅、硅氮化物制成。

假设水凝胶材料层1的膨胀仅沿与压力传感器11和流量传感器12的表面垂直的方向进行，该膨胀可以用下式表达：

$S=\frac{V_2-V_1}{V_1}\×100\%=\frac{{h_g}^{*}-h_g}{h_g}\×100\%=\frac{\mathrm{\Δ}{h}_g}{h_g}\×100\%---\left[1\right]$

其中：

V₁和V₂分别为水凝胶材料1在“干燥”和“膨胀”形式时的体积[m³]；

h_g和h_g ^＊分别为水凝胶材料1在“干燥”和“膨胀”形式时的高度[m]；以及

Δh_g为水凝胶材料1在“干燥”和“膨胀”形式之间的高度差[m]。

方程1内的水凝胶高度h_g可以使用用于计算以层流流过(此情形下为矩形形状通道2的)流体的压降(P)的哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)公式来计算：

$P=\frac{\mathrm{\ηL\φ}}{A^2}{c}_{\mathrm{PA}}=\frac{\mathrm{\ηLv}}{A}{c}_{\mathrm{PA}},---\left[2\right]$

其中：

φ为通道2内的体积流速[m³.s^-1]；

v为通道2内的线性流速[m.s^-1]；

η为流体的液体粘度[Pa.s]；

L为通道2的长度[m]；

P为通道2内的压降[Pa]；

A为通道2的截面积[m²]：A＝dh_f；

d为通道2的宽度[m]；

h_f为通道2内流体的高度[m]；以及

c_PA为依赖于通道2的形状的无量纲参数。

对于矩形形状通道2的情形，c_PA由下式定义：

$c_{\mathrm{PA}}=\frac{8{(d+h_f)}^2}{{\mathrm{dh}}_f},---\left[3\right]$

初始正方形形状通道2的具体情形(d＝h_f)导致：

$c_{\mathrm{PA}}=\frac{8{\left(2h_f\right)}^2}{{h_f}^2}=32,---\left[4\right]$

由此得到：

$P=\frac{32\mathrm{\ηLv}}{{h_f}^2}\⇒h_f=\sqrt{\frac{32\mathrm{\ηLv}}{P}}\⇒h_g=h-4\sqrt{\frac{2\mathrm{\ηLv}}{P}},---\left[5\right]$

其中：

h为通道2内的总高度[m]。

在膨胀时，水凝胶材料1改变通道2的形状，由此减小通道2的尺度，且因此引入通道2内流体压力的变化(恒流)或者通道2内流体流量的变化(恒压)。通过测量水凝胶材料1膨胀之后通道2内的流速和压力，可以使用用于计算以层流流过矩形通道2的流体的压降(P)的哈根-泊肃叶公式来计算水凝胶材料1在“干燥”和“膨胀”形式之间的高度差Δh_g：

$P_S=8\mathrm{\ηL}{v}_S{(\frac{1}{d}+\frac{1}{{h_f}^S})}^2---\left[6\right]$

其中：

v_S为凝胶膨胀之后通道内的线性流速[m.s^-1]；

P_S为凝胶膨胀之后通道内的压降[Pa]；以及

h_f ^S为凝胶膨胀之后通道内的流体高度[m]。

可以根据方程6计算水凝胶材料1膨胀之后通道内的流体高度，且据此计算“干燥”和“膨胀”形式之间的水凝胶高度差Δh_g：

$\mathrm{\Δ}{h}_g=d\frac{1\±\sqrt{k}}{k-1}-h_f,$ 其中 $k=\frac{d^2{P}_S}{8\mathrm{\ηL}{v}_S},---\left[7\right]$

虽然测量通道22内流体流量有若干种不同方法，例如机械、电学、磁学或光学测量方法，不过最广泛使用的方法是基于热传感器，这是因为其在结构和电子方面的简单性。再者，他们与标准集成技术例如CMOS(互补金属氧化物半导体)和/或双极技术兼容。差分温度测量原理的一个示例是基于加热器夹置于其间的p型多晶硅-n型多晶硅热电堆的使用。

流体流量与加热器两侧的温差的平方成比例，结果该流体流量可以根据所测量的温差来计算。

最广泛使用的集成压力传感器是基于压阻型换能器，压阻型换能器是使用微机电系统(MEMS)技术来实现的。它们与标准集成技术(例如CMOS(互补金属氧化物半导体))和/或双极技术兼容。压阻型压力传感器含有半导体(硅)基板，该半导体基板具有通过基板的后侧蚀刻而形成的膜。该芯片的前侧例如包含呈惠斯通电桥配置的四个p型扩散压电电阻器。电阻器置于该膜上且金属轨道提供了电连接。当施加压力时，膜将偏转且压电电阻器变化，由此使惠斯通电桥不平衡并产生在惠斯通电桥两端的电压，该电压与所施加的压力成比例。因此，利用惠斯通电桥配置，可以通过测量在惠斯通电桥两端的电压来计算所施加的压力。

图2a和2b示出最适于试管内和活体外应用(例如导管)的根据本发明的换能器设备200的另一实施例。换能器设备200由离散部件制成，且是基于在水凝胶材料51膨胀时例如有色液体的减少的光吸收，此情形下该水凝胶材料51为透明水凝胶材料51。图2a示出水凝胶材料51处于干燥或未膨胀状态的情形，以及图2b示出水凝胶材料51处于膨胀状态的情形。换能器设备200包含具有有色液体的通道52，该有色液体包含光吸收颗粒。透明水凝胶材料51置于通道52内位于源于光源29的光的路径内。通道52受到保护层23和24保护。通道52也可包含需要探测的环境材料，(例如分子)。响应于环境变化(例如温度)或者存在特定分子，水凝胶材料51的体积增加，由此减小通道52在水凝胶材料51位置处的高度并使有色液体移位。这导致该有色液体内减少的光吸收性，这是因为该有色液体内的光路径长度缩短了。穿过通道52内有色液体以及该水凝胶材料51的光由置于光路径内的光学传感器25(例如光电探测器)探测。对于在水凝胶材料51体积增加的情形情况下，更少的光将被该有色液体吸收且更多的光将被光学传感器25探测。光学传感器25产生依赖于所探测到的光的量的信号。该信号例如由电子电路26接收，该电子电路调适为于根据该信号来计算由换能器设备200探测的环境变化或环境材料的量。该结果随后可以通过发射机27发送到外部接收单元(未示出)，该外部接收单元例如可以存储或展现该结果。换能器设备200还包含电源28(例如电池)，以供应所需能量到换能器设备200。

水凝胶材料51在此情形下对光是透明的，因为例如其主要包含水。为了实现水凝胶材料51在膨胀之后足够的透明度，水凝胶材料51内不应存在光吸收分子。这可以通过以下述方式调整水凝胶材料51来获得，即其网络不允许特定尺寸或属性的颗粒进入。

可以在该有色液体内使用的光吸收分子的示例为ATTO 580Q和ATTO 612Q(http://www.atto-tec.com)。

为了计算在水凝胶材料51膨胀时的信号改变以及水凝胶材料51在“干燥”和“膨胀”形式之间的高度差Δh_g，首先将该有色液体的摩尔消光系数ε_κ通过下式转换成吸收系数α：

$\mathrm{\α}=\frac{2.303{\mathrm{\ϵ}}_k{c}_k}{m_W},\left[{\mathrm{cm}}^{-1}\right]---\left[8\right]$

其中：

ε_κ为该有色液体的摩尔消光系数[mol^-1.liter.cm^-1]；

c_k为该有色液体中的吸收颗粒浓度[g.liter^-1]；以及

m_W为该有色液体中的吸收颗粒的分子量[g.mol^-1]。

水凝胶材料51在“干燥”和“膨胀”形式之间的高度差Δh_g根据相应信号之间的比例来提取：

$\frac{S_D}{S_S}=\frac{S_0\exp (-\mathrm{\α}{h}_f)}{S_0\exp (-\mathrm{\α}{h_f}^S)}=\frac{\exp (-\mathrm{\α}{h}_f)}{\exp (-\mathrm{\α}(h_f-\mathrm{\Δ}{h}_g))}=\exp (-\mathrm{\α\Δ}{h}_g)\⇒\mathrm{\Δ}{h}_g=\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \left(\frac{S_S}{S_D}\right)---\left[9\right]$

其中：

S_D为当水凝胶材料51处于其“干燥”形式时获得的信号；

S_S为当水凝胶材料51处于其“膨胀”形式时获得的信号；以及

S₀为当通道52没有流体时获得的信号。

作为实用示例，该有色液体包含吸收分子浓度为500mg.liter^-1且吸收系数α＝148cm^-1，光源29发光强度为约2500mcd(≈3.5mW)，光学传感器25在波长620nm(ATTO 612Q的吸收最大值)处具有响应度

且当水凝胶材料处于“干燥”状态时，通道的高度h_f＝0.1cm，据此可以通过使用下式来计算最小电流的大小，例如当水凝胶材料51处于其“干燥”形式时，通道52在水凝胶材料51位置处的最大尺寸决定该最小电流：

其中：

E₀为光源29的发光强度[W]；

α为有色液体的吸收系数[cm^-1]；

h_f为当水凝胶材料处于“干燥”状态时该通道的高度[cm]；

为光学传感器25的响应度[A.W^-1]；以及

I_D为由光学传感器产生的电流。

这得到的电流约为～0.6x10^-9A。

图3a和3b示出最适于活体内应用的根据本发明的换能器设备300的另一实施例。换能器设备300为换能器设备200的集成和微型化版本，且也是基于在水凝胶材料21膨胀(此情形下该水凝胶材料21也是透明的)时例如有色液体的减少的光吸收性。图3a示出水凝胶材料21处于干燥或未膨胀状态下的情形，以及图3b示出水凝胶材料21处于膨胀状态下的情形。换能器设备200包含具有有色液体的通道22，该有色液体包含光吸收颗粒。透明水凝胶材料21置于通道22内位于源于光源29的光的路径中。通道22受到保护层33和34保护。通道22也可包含需要探测的环境材料(例如分子)。响应于环境变化(例如温度)或者存在特定分子，水凝胶材料21的体积增加，由此减小通道22在水凝胶材料21位置处的高度并使有色液体移位。这导致该有色液体内减少的光吸收性，这是因为该有色液体内的光路径长度缩短了。穿过通道22中的有色液体以及该水凝胶材料51的光由光学传感器35探测，其中该光学传感器35置于光路径中且集成在基板30中(该基板30例如由硅材料形成)。在水凝胶材料21的体积增加的情况下，更少的光将被该有色液体吸收且更多的光将被光学传感器35探测。光学传感器35产生依赖于所探测到的光量的信号。该信号例如由电子电路36接收，该电子电路也集成在基板30中且适于根据该信号来计算由换能器设备300探测的环境变化或环境材料的量。该结果随后可以通过发射机(未示出)发送到外部接收单元(未示出)，该外部接收单元例如可以存储或展现该结果。

图4示出本发明的换能器设备400的另一实施例，其中光源39集成在与光学传感器35和电子电路36相同的基板30中，由此进一步微型化换能器设备400。为了最优地探测吸收模式的差异，通道22的顶面覆盖有包含例如金属的反射层37，该反射层37将照射光反射朝向光学传感器35。所有部件集成在一个基板30中，这使得该系统更紧凑且因此可以在需要微型化结构的应用中使用。由于光两次经过通道22，吸收率将是换能器设备300中的两倍。因此这种配置适于具有小尺寸(例如直径小于0.5mm的)通道22的系统。

通道2、22在基板10、30上的形成可以通过应用附加的后加工步骤而在与用于制作集成基板相同的工艺中进行。例如，通道2、22可以在光致抗蚀剂材料(例如SU8材料)的层中形成，该材料旋涂在基板10、30上且随后被图案化和显影。通道2、22也可以形成在硅或二氧化硅中。通道2、22可以作为选择通过已知蚀刻技术形成在第二基板(例如硅或玻璃)中，随后将该第二基板结合在包含该传感器的基板10、30上。水凝胶材料1、21可以最后或者在第二基板情形下在结合步骤之前进入通道2、22并聚合。

为了制备水凝胶材料1、21，经常将单体与例如水、稀释溶液或甲醇通常按50/50至10/90比例混合。为了形成化学交联的水凝胶材料，通常按照与单体1∶10至1∶1000比例来添加交联剂(例如N，N-亚甲基双丙烯酰胺、n-乙二醇二丙烯酸酯(n＝4-10000))。此外，可能与加速剂组合地添加光或热引发剂以引发聚合。对于图案化的水凝胶材料的情形，光聚合是优选的。通过在聚合时恰当地调整混合物的成份(content)，可以获得相分离以形成微孔的水凝胶材料1、21。这方面的重要参数为例如溶剂分数和交联密度。水凝胶材料1、21的孔隙度也可以通过添加聚氧乙烯(100)十八烷基醚(例如乳化稳定剂Brij700)来调整。

在制作pH敏感水凝胶材料的示例中，75％pH 7稀释溶液(Fluka)和25％的丙烯酸/PEGDA(n＝10)(90∶10wt％)的水凝胶混合物按照50∶1比例与Irgacure 2959混合。基板10、30(例如为硅、二氧化硅和/或氮化硅)的表面可以涂有粘合增进剂，例如三甲氧基硅烷丙烯酸甲酯(A174)。基板10、30首先使用UV臭氧处理约10分钟且随后通过蒸发来应用硅烷。该步骤也可以局部地通过例如微接触印刷来达成。此外，要求与水凝胶不接触的表面可以涂有氟化硅烷或者进行等离子体处理，由此实现不润湿表面。基板10、30上的通道2、22随后可以填充有该水凝胶混合物。为了使水凝胶材料聚合，该单元在氮气气氛内暴露于光学功率约1mW.cm²的UV光约1小时。更高的光强度允许更短的曝光时间。在优选实施例中，应用特殊掩模的曝光。在使用水清洗之后，水凝胶材料对pH的响应改变了。

水凝胶材料基换能器设备100、200、300、400通常用于在活体内和活体外应用中用于监测和/或探测分子、物质、标签、药物或环境变化。当该诊断设备适合流体的试管内分析时，该诊断设备可进一步包含用于该流体的入口和出口。换能器设备100、200、300、400可以在评估药物影响、新药物发现和药物测试中使用。应用领域还涵盖诊断领域，在此领域中特定生物分子的存在和量需要被测量和/或持续监测。换能器设备100、200、300、400可以应用到人以及动物。

概言之，本发明涉及用于探测环境状态或环境状态的变化，特别是用于探测生物材料内的环境状态的换能器设备。该换能器设备包含：包含流体的通道；水凝胶材料，其适于在与环境材料接触时和/或在探测到环境变化时改变其体积，且其机械地耦合到通道，以使得当该水凝胶材料的体积变化时该通道的容积变化。该换能器设备还包含传感器，该传感器适于在探测到该流体的属性变化时产生信号，其中该流体的属性变化是由该通道的容积变化引起。通过将根据本发明的换能器设备应用在体腔内，则可以精确地监测体腔内该水凝胶材料对其敏感的生理参数。还可以将该换能器设备应用到该体腔的外部，例如以监测该体腔外部的患者的血液。

应注意，上述实施例阐释而非限制本发明，在不背离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多备选实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何参考符号不应解读为限制该权利要求。词语“包含”及其变形不排除存在那些未在权利要求列出的元件或步骤。元件之前使用的词语“一”或“一个”并不排除存在若干个这样的元件。

Claims (12)

1.一种换能器设备(100，200，300，400)，用于探测环境状态，特别是用于探测生物材料内的环境状态或所述环境状态的变化，所述换能器设备(100，200，300，400)包含：

通道(2，22，52)，所述通道包含流体；

水凝胶材料(1，21，51)，所述水凝胶材料适于在与所述生物材料接触时和/或在探测到所述生物材料的环境状态变化时改变其体积，且所述水凝胶材料机械耦合到所述通道(2，22，51)，以使得当所述水凝胶材料(1，21，51)的体积变化时，所述通道(2，22，51)的容积发生变化；以及

传感器(11，12，25，35)，所述传感器适于在探测到由所述通道(2，22，51)的容积变化引起的所述流体的物理属性改变时产生信号。

2.如权利要求1所述的换能器设备(100)，其中所述传感器(11，12)适于测量所述通道(2)内的流体的压力和/或流量变化。

3.如权利要求1所述的换能器设备(200，300，400)，还包含光源(29，39)，所述光源适于照射光到所述通道(22，51)内，以及其中所述传感器(25，35)适于测量所述通道(22，51)内流体的光学属性变化。

4.如权利要求1所述的换能器设备(100，200，300，400)，其中所述换能器设备包含基板(10，30)，所述传感器(11，12，35)集成在所述基板(10，30)中，以及所述通道(2，22，51)和所述水凝胶材料形成在所述基板(10，30)上。

5.如权利要求3和4所述的换能器设备(200，300，400)，其中所述光源(29，39)集成在所述基板(10，30)中。

6.如权利要求1所述的换能器设备(100，200，300，400)，还包含与所述传感器(11，12，25，35)电接触的电子电路(13，26，36)。

7.如权利要求1所述的换能器设备(100，200，300，400)，还包含发射机器单元(27)，所述发射机单元适于与外部接收单元进行通信。

8.一种用于通过换能器设备(100，200，300，400)探测环境状态，特别是探测生物材料内的环境状态的方法，所述换能器设备包含水凝胶材料(1，21，51)以及含有流体的通道(2，22，51)，所述方法包含下述步骤：

使所述换能器设备与所述生物材料接触，以使得水凝胶材料(1，21，51)改变其体积，以引起所述通道(2，22，51)的容积变化，

在探测到由所述通道(2，22，51)的容积变化引起的所述流体的物理属性改变时产生信号。

9.一种用于通过换能器设备(200，300，400)探测环境状态，特别是探测生物材料内的环境状态的方法，所述换能器设备包含水凝胶材料(21，51)以及含有流体的通道(22，51)，所述方法包含下述步骤：

将来自光源(29，39)的光照射到所述通道(22，51)内；

使所述换能器设备(200，300，400)与所述生物材料接触，以使得所述水凝胶材料(21，51)改变其体积，以引起所述通道(22，51)的容积变化；

在探测到由所述通道(22，51)的容积变化引起的所述流体的光学属性改变时产生信号。

10.一种医疗系统，所述医疗系统包含如权利要求1所述的换能器设备(100，200，300，400)和药物递送设备，所述药物递送设备耦合到所述换能器设备(100，200，300，400)且所述药物递送设备适于在由所述换能器设备(100，200，300，400)的信号触发时递送特定量的药物。

11.一种诊断设备，包含如权利要求1至7中任意一项所述的换能器设备。

12.如权利要求11所述的诊断设备，其中所述诊断设备适合用于试管内分析所述流体且还包含用于所述流体的入口和出口。

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