CN109717876B - 用于化学传感器的结构式扩散隔膜 - Google Patents

Abstract

本文中的实施例涉及用于检测生理分析物的可植入化学传感器以及包括该化学传感器的医学装置。在实施例中，包括可植入的医学装置。该可植入的医学装置可以包括化学传感器，该化学传感器被配置为用于检测体液中的离子浓度。该化学传感器可以包括感测元件。该感测元件可以包括形成该感测元件的顶部、底部、和相反的侧面的外阻挡层、以及接触该外阻挡层的结构增强元件。该感测元件的外阻挡层的顶部可以包括分析物可透过的聚合物基质。

Description

用于化学传感器的结构式扩散隔膜

发明领域

本文中的实施例涉及用于检测生理分析物的可植入化学传感器以及包括该化学传感器的医学装置。

背景技术

当评定患者的状态和/或诊断问题时，医学专业人士经常需要评估患者的化学分析物浓度。然而，测量分析物(如钾等)的生理浓度通常要求对患者抽血。抽血一般在医疗诊所或医院完成，并因此通常要求患者亲自访问医疗机构。因此，虽然生理分析物的浓度很重要，但大多数情况下只能偶尔进行测量。

植入式化学传感器提供了能够实时收集分析物浓度数据的承诺，即使患者远离医学治疗机构。例如，当分析物穿过柔软亲水的扩散隔膜并进入化学传感器时，植入式化学传感器可以从间质液测量分析物浓度。测量可以连续或半连续地进行，从而提供大大丰富的数据集，以便医学专业人士评估。

发明内容

本文中的实施例涉及用于检测生理分析物的可植入化学传感器以及包括该化学传感器的医学装置。在第一方面，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，包含了一种可植入的医学装置。该可植入的医学装置可以包括化学传感器，该化学传感器被配置为用于检测体液中的离子浓度。该化学传感器可以包括感测元件。该感测元件可以包括形成该感测元件的顶部、底部、和相反的侧面的外阻挡层、以及接触该外阻挡层的结构增强元件。该感测元件的外阻挡层的顶部可以包括分析物可透过的聚合物基质。

在第二方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，可以将结构增强元件布置在该外阻挡层之下、之中、或其顶部顶上。

在第三方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以由聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物形成。

在第四方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以由织造材料形成。

在第五方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以包括跨该外阻挡层的顶部与底部之间距离的一个或多个壁内支柱。

在第六方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，该一个或多个壁内支柱可以由聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物形成。

在第七方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，外阻挡层可以由聚HEMA、琼脂糖、藻酸盐、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、胶原蛋白、PEG、明胶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物形成。

在第八方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，该可植入的医学装置可以包括：光学激发组件，该光学激发组件被配置为用于照明该感测元件；以及光学检测组件，该光学检测组件被配置为用于从该感测元件接收光。

在第九方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，化学传感器可以具有大于1.0mm的直径。

在第十方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，化学传感器可以被配置为用于检测选自由钾、钠、氯、钙、镁、锂、或水合氢组成的组中的离子。

在第十一方面，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，包含了一种可植入的医学装置。该可植入的医学装置可以包括化学传感器，该化学传感器被配置为用于检测体液中的离子浓度。该化学传感器可以包括感测元件。该感测元件可以包括形成该感测元件的顶部、底部和相反的侧面的外阻挡层，其中该外阻挡层限定内部体积。该感测元件还可以包括布置在该内部体积内的结构增强元件，其中该结构增强元件是多孔的。

在第十二方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以填充该内部体积的至少10％到25％之间。

在第十三方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以由聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物形成。

在第十四方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以由硼硅酸盐玻璃形成。

在第十五方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，外阻挡层可以由聚HEMA、琼脂糖、藻酸盐、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、胶原蛋白、PEG、明胶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物形成。

在第十六方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，外阻挡层可以由玻璃形成。

在第十七方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，外阻挡层可以由硼硅酸盐玻璃形成。

在第十八方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，外阻挡层的底部可以包括用于将该感测元件联接到光学激发组件和光学检测组件的玻璃接口板。

在第十九方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，该外阻挡层的顶部可以由聚HEMA形成。

在第二十方面中，除了前述或后续方面中的一个或多个之外，或者替代于一些方面，结构增强元件可以灌注有一个或多个离子选择性传感器。

此发明内容部分是本申请的一些传授内容的总览，并非旨在排他地或穷尽地处理本发明主题。在详细说明和所附权利要求书中可找到进一步的细节。当阅读和理解以下详细说明并且查看形成该详细说明的一部分的附图时，其他方面对于本领域技术人员而言将是清楚的，这些附图中的每一个均不具有限制意义。本文的范围是由所附权利要求书和它们的法律等效物来限定。

附图说明

结合以下附图可以更完全地理解多个方面，其中：

图1是根据本文实施例的可植入的医学装置的示意性俯视图。

图2是沿图1的线2-2′取得的化学传感器的截面视图。

图3是根据本文不同实施例的结构增强元件的示意性平面视图。

图4是根据本文不同实施例的结构增强元件的示意性平面视图。

图5是根据本文另外实施例的化学传感器的截面视图。

图6是根据本文另外实施例的化学传感器的截面视图。

图7是根据本文另外实施例的化学传感器的截面视图。

图8是根据本文另外实施例的化学传感器的截面视图。

图9是根据本文另外实施例的可植入的医学装置的示意性俯视图。

图10是根据本文另外实施例的感测元件的示意性截面视图。

图11是根据本文不同实施例的可植入的医学装置的示意性截面视图。

图12是根据本文不同实施例的可植入的医学装置的部件的示意图表。

虽然实施例容易有各种不同的修改和替代形式，但已经通过举例和绘图方式展示了其详细内容并且将进行详细描述。然而，应理解的是，本文的范围并不受所描述的具体实施例的限制。与此相反，本发明将覆盖落入本文的精神和范围内的修改、等效物、以及替代方案。

具体实施方式

植入式化学传感器提供了能够实时收集分析物浓度数据的承诺，即使患者远离医学治疗机构。

高度多孔的柔软亲水聚合物是与植入式化学传感器一起使用的理想材料，这是因为它们允许大量分析物穿过传感器壁快速传输的能力，并且因此有助于用其建造的传感器的快速响应时间。然而，许多此类材料缺少所希望的结构完整性水平。此类材料通常是柔软且柔性的，这导致设计传感器元件时的挑战，尤其是当传感器变得越来越大时。具体地，此类材料在化学传感器中的使用可能导致不希望的变形和/或结构失效以及在化学传感器的光学界面处的干扰，这可能导致削弱的响应和/或化学传感器的功能丧失。

然而，本文中的实施例可以包括结构增强元件，这些结构增强元件可以为化学传感器的柔软亲水的扩散隔膜提供结构完整性。因而，通过包含结构增强元件，使用柔软亲水材料制成的化学传感器可以在传感器的使用寿命中保持其结构完整性。

现在参照图1，根据本文中的实施例示出了可植入的医学装置(IMD)100。IMD 100可以包括可植入壳体102和联接到可植入壳体102的头部104。可以使用各种不同的材料。然而，在一些实施例中，壳体102可以由诸如金属、陶瓷、聚合物或复合物的材料形成。头部104可以由各种不同的材料形成，但是在一些实施例中，头部104可以由透明或半透明的聚合物形成，如环氧材料。在一些实施例中，头部104可以是中空的。在其他实施例中，头部104可以填充有部件和/或结构材料，如环氧化物或其他材料，使其并非中空的。

IMD 100还可以包括联接到可植入壳体102的化学传感器106。化学传感器106可以被配置为，当植入到体内时，用于检测体液的离子浓度。在一些实施例中，化学传感器106可以被配置为用于检测选自由钾、钠、氯、钙、镁、锂、水合氢、磷酸氢根、碳酸氢根等等组成的组中的离子。体液可以包括血液、间质液、血清、淋巴液、浆液、脑脊髓液等等。在一些实施例中，化学传感器106可以被配置为用于检测电解质、蛋白质、糖、激素、肽、氨基酸、和代谢产物中的一种或多种。然而，在此也可以设想许多其他的分析物。

将理解的是，化学传感器106可以定位在沿IMD 100的任何位置，包括沿可植入壳体102的位置和沿头部104的位置。IMD 100可以采取各种不同的尺寸。在本文的具体实施例中，该IMD可以是大约2至3英寸长、0.4至0.6英寸宽、且0.15至0.35英寸厚。然而，在一些实施例中，IMD 100可以是约0.25、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、或5.0英寸长。在一些实施例中，长度可以在如下范围内，其中前述长度中的任何一个都可以用作该范围的上限或下限，前提是上限大于下限。在一些实施例中，IMD 100可以是约0.25、0.5、0.75、1.0、或2.0英寸宽。在一些实施例中，长度可以在如下范围内，其中前述宽度中的任何一个都可以用作该范围的上限或下限，前提是上限大于下限。在一些实施例中，IMD 100可以是约0.10、0.25、0.50、0.75、或1.0英寸厚。在一些实施例中，厚度可以在如下范围内，其中前述厚度中的任何一个都可以用作该范围的上限或下限，前提是上限大于下限。

在一些实施例中，化学传感器106可以呈圆形。化学传感器106的直径可以是约0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm、1.75mm、2.0mm、2.5mm、2.75mm、3.0mm、3.25mm、3.5mm、3.75mm、4.0mm、4.5mm、或5.0mm。在一些实施例中，直径可以在如下范围内，其中前述直径中的任何一个都可以用作该范围的上限或下限，前提是上限大于下限。在一些实施例中，化学传感器106的直径大于或等于1.5mm。虽然在图1中描绘的化学传感器106呈圆形，但应理解的是，化学传感器106可以采用各种不同的形状，包括但不限于正方形、矩形、三角形、梯形、椭圆形等等。将理解的是，IMD 100可以包括测量相同或不同分析物的一个或多个化学传感器。在一些实施例中，一个或多个化学传感器可以安排成各种不同形状的阵列，例如像网格、圆形、马赛克、几何图案等等。

化学传感器106的高度(深度)可以是约0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm、1.75mm、2.0mm、2.5mm、2.75mm、3.0mm、3.25mm、3.5mm、3.75mm、4.0mm、4.5mm、或5.0mm、6mm、7mm、8mm、9mm、或10mm。在一些实施例中，化学传感器106的高度可以在如下范围内，其中前述距离中的任何一个都可以用作该范围的上限或下限，前提是上限大于下限。

现在参考图2，示出了沿图1的线2-2′取得的化学传感器106的截面视图。化学传感器106可以包括但不限于感测元件202、光学激发组件218、和光学检测组件220。图3示出光学化学传感器。然而，在其他实施例中，化学传感器可以是电位计化学传感器。

感测元件202可以包括外阻挡层204，该外阻挡层完全或部分地由可透过材料(如离子可透过的聚合物基质材料等等)形成。外阻挡层204的示例性材料在下文中更详细地描述。外阻挡层204可以形成顶部205、底部210、和相反的侧面206和208，以包围感测元件202的内部体积222。外阻挡层204的底部210和相反的侧面206和208将在下文中参考图3-5更详细地进行讨论。然而，简言之，它们可以由与顶部205相同的材料形成，或者它们可以由不同材料形成。在一些实施例中，外阻挡层204的至少顶部205可以是对钠离子、钾离子、水合氢离子、肌酸酐、尿素等等可透过的。外阻挡层204还可以包括布置在其中的活性剂，包括但不限于抗炎剂、血管生成剂等等。示例性的活性剂在下文中更详细地进行描述。

然而，将理解的是，底部210可以是或可以不是分立的层。例如，在一些实施例中，底部210和可植入壳体102的凹陷盘214内的透明构件216可以用不同的材料组合或者可以作为一个层用具有相同类型的材料组合。

外阻挡层204可以包括布置在外阻挡层204的外表面之内、之上或之下的结构增强元件212。例如，结构增强元件212可以布置在外阻挡层204之内、其顶部上或其下方。在一些实施例中，结构增强元件212可以布置在相反的侧面206和208的外部表面之内、之上或之下。在仍另外的实施例中，结构增强元件212可以布置在外阻挡层204的底部210的外表面之内、之上或之下。在仍其他实施例中，结构增强元件212可以布置在整个外阻挡层204的外表面之内、之上或之下。结构增强元件将在下文中参考图3-5进一步讨论。将理解的是，根据本文中的另外的实施例，本文中实施的结构增强元件可以采用许多形状和形式。

这些结构增强元件可以呈现各种不同的形状和尺寸。在一些实施例中，结构增强元件可以是柱形、角锥形、截头角锥形、圆锥形、截头圆锥形、圆柱形、矩形等等。在一些实施例中，结构增强元件的底部可以具有比结构增强元件的顶部更大的宽度。在一些实施例中，结构增强元件的顶部可以具有比结构增强元件的底部更大的宽度。在一些实施例中，结构增强元件的顶部和底部可以具有相同的宽度。结构增强元件的高度可以是约0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm、1.75mm、2.0mm、2.5mm、2.75mm、3.0mm、3.25mm、3.5mm、3.75mm、4.0mm、4.5mm、或5.0mm、6mm、7mm、8mm、9mm、或10mm。在一些实施例中，结构增强元件的高度可以在如下范围内，其中前述直径中的任何一个都可以用作该范围的上限或下限，前提是上限大于下限。

结构增强元件可以定位在感测元件内的各种不同的位置中。在一些实施例中，可以存在多个结构增强元件并且它们可以跨感测元件散布(如跨化学传感器的沿X轴和/或Y轴的宽度散布，其中化学传感器的深度将是Z轴)。在一些实施例中，多个结构增强元件可以均匀散布。在一些实施例中，多个结构增强元件可以彼此间隔开，但是具有朝向化学传感器的直径中部的偏移，使得中央部分(如总直径的中央50％)具有更高的结构增强元件密度。

适合于形成本文中讨论的结构增强元件的材料可以包括但不限于多孔刚性聚合物、多孔刚性陶瓷、聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应性离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、含二氧化硅的玻璃、硼硅酸盐玻璃(例如但不限于)、或其混合物或衍生物。结构增强元件将在下文更详细地进行讨论。

可植入壳体102可以包括凹陷盘214，感测元件202配合进入该凹陷盘中。在一些实施例中，凹陷盘214的顶部可以与感测元件202的顶部基本上齐平。

在一些实施例中，可植入壳体102可以限定被透明构件216闭塞的孔口。透明构件216可以是玻璃(包括但不限于硼硅酸盐玻璃)、聚合物、或其他透明材料。孔口可以布置在凹陷盘214的底部处。孔口可以提供允许在感测元件202与光学激发218和光学检测220组件之间进行光通信的接口。在一些实施例中，外阻挡层204的底部210可以与透明构件216相组合。底部210和透明构件216可以用不同的材料组合或者作为一个层用相同类型的材料组合。

将理解的是，外阻挡层204、或其多个部分(如底部210)可以由透明聚合物基质材料制成，以允许感测元件202与光学激发218和光学检测220组件之间的光通信。

光学激发组件218可以被配置为用于照明感测元件202。光学激发组件218可以包括光源，如发光二极管(LED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、电致发光(EL)装置等等。光学检测组件220可以包括选自由光电二极管、光电晶体管、电荷耦合装置(CCD)、结型场效应晶体管(JFET)光学传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)光学传感器、集成光检测器集成电路、光电压转换器等等组成的组中的部件。光学激发218和光学检测220组件在下文更详细地进行讨论。

现在参考图3，示出了根据本文不同实施例的结构增强元件212的示意性平面视图。结构增强元件212可以采取许多不同的形状，包括但不限于正方形、矩形、三角形、梯形、椭圆形等等。

在图3的视图中，结构增强元件212是实心但多孔的。然而，将理解的是，在一些实施例中，结构增强元件212可以由非多孔材料形成。另外，在一些实施例中，结构增强元件可以包括布置在其中的一个或多个孔口。现在参考图4，示出了根据本文不同实施例的结构增强元件212的示意性平面视图。如可以看到的，结构增强元件212包括多个孔口402。

现在参照图5-7，根据本文不同实施例示出了感测元件202。如上文参考图2所讨论的，感测元件202可以包括外阻挡层204。外阻挡层204可以形成顶部205、底部210、和相反的侧面206和208，以包围感测元件202的内部体积222。外阻挡层204还可以包括结构增强元件212。

例如，图5示出具有外阻挡层204的感测元件202，该外阻挡层包括顶部205、底部210、和相反的侧面206和208，其整体可以由可透过钠离子、钾离子、和水合氢离子等等的材料形成。适合于在外阻挡层204中使用的材料在下面进一步讨论。

感测元件202可以包括跨外阻挡层204的顶部205与底部210之间距离的一个或多个壁内支柱306。该一个或多个壁内支柱506可以包括布置在壁内支柱506的外表面之内、之上或之下的结构增强元件212。适合于形成该一个或多个壁内支柱506的结构增强元件212的材料可以包括但不限于刚性多孔聚合物、刚性多孔陶瓷、聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应性离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物。

在一些实施例中，壁内支柱306在与底部210接触的侧面上可以具有与顶部205接触的壁内支柱的尺寸相比更大的尺寸或直径。然而，也可以是反过来，如在下面描述的图6中所示的。在一些实施例中，壁内支柱306的截面可以是圆形、椭圆形、正方形、或多边形的。支柱的长度可以取决于感测元件的尺寸，但是在一些实施例中可以是0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、9mm、11mm、13mm、15mm、20mm、或30mm；或者可以落在任何前述距离之间的范围内。支柱的数目可以变化。所用的支柱的数目可以是1、2、3、4、5、7、9、11、13、15、20、25、30、40、50、60、80、100或更多。在一些实施例中，支柱的数目可以落入任何前述数目之间的范围内。

本文中实施的感测元件202可以包括内部体积222并且还可以包括布置在其中的各种不同的指示物珠，用于当植入体内时检测体液的离子浓度。例如，图5示出了第一指示物珠502和第二指示物珠504。第一指示物珠502和第二指示物珠504可以包括聚合物支撑材料以及一个或多个离子选择性传感器，如下面更全面描述的。如钾离子、钠离子、水合氢离子等生理分析物可以扩散穿过外阻挡层204的顶部205以及(当存在时)结构增强元件212，并扩散到第一指示物珠502和第二指示物珠504之上和/或之中，在那里它们可以与离子选择性传感器结合以产生荧光或比色响应。

在一些实施例中，第一指示物珠502可以被隔离到内部体积222的一侧，无论是否有内部分隔物。在一些实施例中，第二指示物珠504可以被隔离到内部体积的与第一指示物珠502不同的一侧。在一些实施例中，第一指示物珠502和第二指示物珠504可以被设计为检测相同的分析物。在一些实施例中，第一指示物珠502和第二指示物珠504可以被设计为检测不同的分析物。在一些实施例中，第一指示物珠502和第二指示物珠504可以通过具有两个单独的外阻挡层204而被分离。例如，替代于单一的外阻挡层204，可以存在两个分立的外阻挡层204，每个外阻挡层包围分开的一组指示物珠。在不同实施例中，这两组珠可以以特定距离散布开，如至少约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1、2、3、5、10、或15毫米并且小于100、70、50、40、30、或20毫米。

除了扩散穿过顶部205之外，在一些实施例中，生理分析物还可能另外地扩散穿过底部210、相反的侧面206和208、以及(当存在时)结构增强元件212。

虽然图5示出了分立的指示物珠，但将理解的是，指示物组分也可以以其他形式存在，如单一的较大的组合物质、灌注物等等，如关于图7和图8将要讨论的。

在一些实施例中，本文中实施的感测元件202可以包括布置在内部体积222内的水性溶液508。在一些实施例中，水性溶液508可以包括浓度为约3.0至约6.0mmol/L的钾离子。在一些实施例中，水性溶液508可以包括浓度为约1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、或8.0mmol/L的钾离子。在一些实施例中，水性溶液508中的钾离子浓度可以在任何前述倍数之间的范围内，前提是该范围的上限大于该范围的下限。在一些实施例中，如下面参考图10讨论的，在封装期间和使用之前，水性溶液508可以包围感测元件202的外部。

在图5和图6中，感测元件202示出为具有外阻挡层204，该外阻挡层包括顶部205、底部210、和相反的侧面206和208，其整体可以由可透过钠离子、钾离子、和水合氢离子等等的聚合物基质形成。适合于在外阻挡层204中使用的可透过材料在下面进一步讨论。

图5示出了布置在感测元件202的内部体积222之内的结构增强元件212。在图6中所示的实施例中，结构增强元件212可以由多孔材料制造。在一些实施例中，结构增强元件212可以填充感测元件202的内部体积222的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、或50％。将理解的是，结构增强元件212可以填充的内部体积落入如下范围内，其中上述百分比中的任何一个都可以用作该范围的下限或上限，前提是该范围的下限的值小于该范围的上限。在一些实施例中，布置在内部体积222之内的结构增强元件212可以灌注有一个或多个离子选择性传感器，这些离子选择性传感器在下文中更全面地进行描述。

图6示出了布置在感测元件202的内部体积222之内的结构增强元件212。在图6中所示的实施例中，结构增强元件212可以由多孔材料制造。在一些实施例中，结构增强元件212可以填充感测元件202的内部体积222的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、或50％。在一些实施例中，布置在内部体积222之内的结构增强元件212可以灌注有一个或多个离子选择性传感器，这些离子选择性传感器在下文中更全面地进行描述。结构增强元件212可以包括一个或多个壁内支柱506。

将理解的是，外阻挡层204的一些部分可以由不同材料形成，而在其他实施例中，整个外阻挡层204可以由相同材料形成。图7示出具有外阻挡层204的感测元件202，其中顶部205和相反的侧面206和208由相同材料形成，该材料对钠离子、钾离子、和水合氢离子等等是可透过的。底部210示出为具有不同的材料组成。将理解的是，外阻挡层204的底部210可以由透明材料形成以将感测元件202联接到光学激发218和光学检测220组件。将感测元件202联接到光学激发218和光学检测220组件可以辅助这两个结构之间的光学通信。

然而，在一些实施例中，底部可以由与外阻挡层不同的材料形成。现在参考图8，示出了根据一些实施例的化学传感器的另一截面视图。在一些实施例中，底部210可以由玻璃(例如硼硅酸盐玻璃)形成。在一些实施例中，底部210可以由透明聚合物材料形成。在一些实施例中，底部210可以在具有透明构件的接口处熔合到可植入壳体上，如上所讨论的。

现在参照图9，根据本文中的实施例示出了可植入的医学装置900。可植入的医学装置900可以包括联接到头部104的可植入壳体102。化学传感器106示出为联接到头部104。将理解的是，医学装置900的头部104中可以包括多于一个化学传感器。

在一些实施例中，可能希望的是将化学传感器和/或医学装置在预浸湿传感器的情况下(例如在水性溶液的浴中)运输。现在参考图10，化学传感器106的实施例示出为在感测元件202的顶部205上具有密封件1002。密封件1002可以在封装后在外部环境与化学传感器106之间提供严密的密封。例如，密封件1002可以提供有效的阻挡，以保持凹陷盘214内的水性溶液308，使得感测元件202在植入之前可以持续处于水性溶液308的浴中。

在一些实施例中，存在于凹陷盘214中的水性溶液308还可以包括浓度为约3.0至约6.0mmol/L的钾离子。在一些实施例中，水性溶液308可以包括浓度为约1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、或8.0mmol/L的钾离子。在一些实施例中，水性溶液308中的钾离子浓度可以在任何前述量值之间的范围内，前提是该范围的上限大于该范围的下限。

恰在植入之前，医疗专业人士可以将密封件1002从化学传感器106去除。在一些实施例中，密封件1002对于水性溶液的通过而言可以是非多孔的。在一些实施例中，密封件1002可以由聚合物制成，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯、聚苯乙烯等等。在一些实施例中，密封件1002可以由箔片(例如金属箔片)制成。在一些实施例中，密封件1002可以由不透辐射的材料制成。

现在参照图11，根据本文中的不同实施例示出了IMD 100的示意性截面视图。IMD100可以包括可植入壳体102。IMD 100的可植入壳体102可以包括各种不同的材料，如金属、聚合物、陶瓷等等。在一些实施例中，可植入壳体102可以是单一的集成单元。在其他实施例中，可植入壳体102可以包括可植入壳体102和环氧化物头部104，如上文所讨论的。在一些实施例中，可植入壳体102或其一个或多个部分可以由钛形成。在一些实施例中，可植入壳体102的一个或多个区段可以是气密密封的。

可植入壳体102可以限定内部体积804，该内部体积在一些实施例中与IMD 100的外侧的区域1106气密密封分开。IMD 100可以包括电路1108。电路1108可以包括各种不同的部件，如部件1110、1112、1114、1116、1118、和1120。在一些实施例中，这些部件可以是集成的，而在其他实施例中，这些部件可以是分开的。在一些实施例中，这些部件可以包括以下各项中的一项或多项：微处理器、存储器电路(如随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM))、记录器电路、遥测电路、化学传感器接口电路、电源电路(可以包括一个或多个电池)、归一化电路、化学传感器控制电路等等。在一些实施例中，记录器电路可以记录化学传感器产生的数据并记录关于数据的时间戳。在一些实施例中，电路可以被硬接线以执行各种不同的功能，而在其他实施例中，电路可以被实现为在微处理器或其他计算装置上执行的指令。

可以提供遥测接口1122用于与外部装置通信，如编程器、安装在房间内的单元、和/或可移动单元(例如蜂窝电话、便携计算机等等)。在一些实施例中，可以提供遥测接口1122用于与植入式装置通信，如治疗输送装置(例如起搏器、复律器-除颤器)或者仅用于监测的装置(例如植入式循环记录器)。在一些实施例中，电路可以从在任何外部或植入式装置上执行的指令等等，经由近场、远场、传导式、体内或体外通信而远程地实现。在一些实施例中，遥测接口1122可以定位在可植入壳体102之内。在一些实施例中，遥测接口1122可以定位在头部104中。

化学传感器106的光学激发218和光学检测220组件可以与内部体积1104内的电路1108处于电通信。在一些实施例中，控制电路1108被配置为用于选择性地激活化学传感器106的光学激发218和光学检测220组件。

现在参考图12，示出了根据本文不同实施例的IMD 100的部件的示意性图表。将理解的是，一些实施例可以包括除图12中所示的那些之外的另外元件。而且，一些实施例可能缺少图12中所示的一些元件。IMD 100可以通过一个或多个感测通道收集信息。微处理器1202可以经由双向数据总线与存储器1204通信。存储器1204可以包括用于存储程序的只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)以及用于存储数据的RAM、或其任何组合。可植入的医学装置还可以包括一个或多个化学传感器106以及一个或多个化学传感器通道接口1206，该一个或多个化学传感器通道接口可以与微处理器1202的端口通信。化学传感器通道接口1206可以包括各种不同的部件，如用于将信号输入数字化的模数转换器、感测放大器、可以被控制电路写入以便调节感测放大器的增益和阈值的寄存器、源驱动器、调制器、解调器、多路复用器等等。还可以提供遥测接口1122用于与外部装置通信，如编程器、安装在房间内的单元、和/或可移动单元(例如蜂窝电话、便携计算机等等)、植入式装置(如起搏器、复律器-除颤器、循环记录器等等)。

外阻挡层

如上文所参考的，感测元件的外阻挡层可以由可透过材料形成。在一些实施例中，外阻挡层可以由离子可透过的聚合物基质材料形成。适合用作离子可透过的聚合物基质材料的聚合物可以包括但不限于形成水凝胶的聚合物。在此水凝胶可以包括均聚型水凝胶、共聚型水凝胶、以及多聚合物互相贯穿的聚合物水凝胶。在此水凝胶尤其可以包括非离子型水凝胶。

在一些实施例中，本文中的水凝胶可以由各种不同的单体或大分子单体的聚合来制备，这些单体或大分子单体包括以下各项中的一项或多项：聚2-羟乙基甲基丙烯酸酯(聚HEMA)、2-羟丙基甲基丙烯酸酯(HPMA)、丙烯酰胺、丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)、甲氧基聚乙二醇单丙烯酸酯(PEGMA)等等。在一些实施例中，聚合物可以包括但不限于聚羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)、纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、葡聚糖、聚丙烯酰胺、聚羟烷基丙烯酸酯、聚乙烯基吡咯烷酮、及其混合物和共聚物。在一些实施例中，适合与本文中所描述的离子可透过的聚合物基质一起使用的聚合物包括透明的那些。

在仍另外的实施例中，外阻挡层可以由多孔材料形成，如琼脂糖、藻酸盐、胶原蛋白、聚乙二醇(PEG)、明胶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物形成。在一些实施例中，外阻挡层由玻璃形成。在一些实施例中，外阻挡层由硼硅酸盐玻璃形成。

结构增强元件

如上文讨论的，感测元件的外阻挡层可以包括布置在外阻挡层内的结构增强元件。在其他实施例中，结构增强元件可以布置在外阻挡层的外表面或内表面上。在一些实施例中，结构增强元件可以由离子可透过的材料形成。在其他实施例中，结构增强元件可以由不可透过的材料形成。

适合与本文中的结构增强元件一起使用的材料可以包括聚酯，如聚对苯二甲酸乙二酯(例如)；聚氨酯，包括但不限于/>基于芳基聚醚的热塑性聚氨酯类(TPU)；聚乙烯；聚丙烯；尼龙；丝；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；烧结的钛；深度反应性离子蚀刻的硅；烧结的不锈钢；烧结的二氧化硅；液晶；氧化铝；陶瓷；玻璃；硼硅酸盐玻璃；等等。

在一些实施例中，结构增强元件可以展现出大于外阻挡层材料的硬度。在一些实施例中，结构增强元件的硬度可以比外阻挡层材料强约百分之10、20、30、40、50、60、80、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000或2500。在一些实施例中，结构增强元件的硬度可以比外阻挡层材料强百分之3000。

在一些实施例中，结构增强元件可以展现出大于外阻挡层材料的刚度。在一些实施例中，结构增强元件的刚度可以比外阻挡层材料强约百分之10、20、30、40、50、60、80、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000或2500。

在一些实施例中，结构增强元件可以展现出大于外阻挡层材料的拉伸强度。在一些实施例中，结构增强元件展现出的拉伸强度可以比外阻挡层材料强约百分之10、20、30、40、50、60、80、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000或2500。

在一些实施例中，结构增强元件可以包括织造材料。在一些实施例中，结构增强元件可以包括由离子可透过的聚合物材料制成的织造材料。在一些实施例中，结构增强元件可以包括由不可透过的材料制成的织造材料。在一些实施例中，织造材料可以包括在整个结构增强元件中均匀的纤维织造图案。在其他实施例中，织造材料可以包括在整个结构增强元件中不均匀的纤维织造图案。在一些实施例中，织造材料可以包括定向织造图案。在其他实施例中，结构增强元件可以包括非织造材料，该非织造材料具有在整个结构增强元件中不均匀的纤维织造图案。非织造材料的例子是由高密度聚乙烯纤维制成的在一些实施例中，结构增强元件可以包括电纺聚合物材料。在一些实施例中，电纺聚合物材料可以包括无规织造的聚合物材料。

在仍另外的实施例中，结构增强元件可以被形成为一体模制单元，该单元可以灌注有一个或多个离子选择性传感器。

离子选择性传感器

根据本文中的实施例，感测元件202可以包括一个或多个离子选择性传感器，如本文中所述的，该一个或多个离子选择性传感器被包含在一种或多种类型的指示物珠内、或被灌注在结构增强元件内。离子选择性传感器可以依赖于表面现象或者依赖于相本体内的浓度变化。离子选择性传感器可以包括光学传感器(包括非载体型光学传感器和基于载体的光学传感器)以及离子选择性电极(ISE)。在一些实施例中，离子选择性传感器是荧光型，并且可以包括络合部分和荧光部分。荧光型离子选择性传感器可以基于分析物络合到络合部分而展现出差分荧光强度。在一些实施例中，离子选择性传感器可以是比色型，并且可以包括络合部分和比色部分。比色型离子选择性传感器可以基于分析物络合到络合部分而展现出差分光吸收度。

在一些实施例中，离子选择性传感器包括非载体或基于载体的荧光或比色型离子载体组合物，该组合物包括用于可逆结合待分析离子的络合部分以及在络合剂结合或释放离子时改变光学特性的荧光或比色部分。本发明的络合剂可以任选地附着有一个或多个有机取代基，该取代基被选择为赋予在离子感测组合物的配制中有用的所希望特性。举例而言，可以选择取代基以在浸取到待感测的溶液中方面稳定络合剂，例如通过结合疏水或聚合物型的尾部或者通过提供将络合剂共价附连到离子选择性传感器内的聚合物支架的手段。

在一些实施例中，感测元件可以包括离子选择性传感器，如离子载体或荧光离子载体。适合与本文中的实施例一起使用的离子载体可以包括但不限于钠特异离子载体、钾特异离子载体、钙特异离子载体、镁特异离子载体、和锂特异离子载体。适合与本文中的实施例一起使用的荧光离子载体可以包括但不限于锂特异的荧光离子载体、钠特异的荧光离子载体、和钾特异的荧光离子载体。

示例性的离子选择性传感器和其使用方法在共同受让的美国专利号7,809,441中披露，其内容通过引用以其整体结合在此。

光学激发组件和光学检测组件

在一些实施例中，光学激发组件218可以包括固态光源，如在最大吸收波长处或附近持续足以发射返回信号的时间来激发感测元件202的GaAs、GaAlAs、GaAlAsP、GaAlP、GaAsP、GaP、GaN、InGaAlP、InGaN、ZnSe或SiC发光二极管或激光二极管。然而，将理解的是，在一些实施例中，最大吸收/反射波长随比色传感器中的浓度而变化。

在一些实施例中，光学激发组件218可以包括其他发光部件，包括白炽光部件。在一些实施例中，光学激发组件218可以包括波导。光学激发组件218还可以包括一个或多个带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器、减反射元件、和/或聚焦光学器件。

在一些实施例中，光学激发组件218可以包括带有带通滤波器的多个LED，每个LED-滤波器组合在不同的中心频率处发光。根据不同实施例，LED可以在不同的中心频率工作，在测量期间依序打开和关闭，从而照明感测元件202。在一些实施例中，当依序进行多个不同中心频率的测量时，可以使用单一的无过滤检测器。然而，在一些实施例中，可以将多色源与多个检测器一起使用，这些检测器各自被带通过滤到特定的中心频率。

感测元件202可以包括一种或多种类型的指示物珠，该一种或多种类型的指示物珠具有嵌入其中的不同类型的离子选择性传感器，如下文描述的。感兴趣的生理分析物可以扩散进出感测元件202并与离子选择性传感器结合，以产生荧光或比色响应。参比分析物可以类似地扩散进出感测元件202并用作对照样品。示例性的离子选择性传感器在下文更全面地描述。

光学检测组件220可以被配置为用于接收来自感测元件202的光。在实施例中，光学检测组件220可以包括用于接收光的部件。举例而言，在一些实施例中，光学检测组件220可以包括电荷耦合装置(CCD)。在其他实施例中，光学检测组件220可以包括光电二极管、结型场效应晶体管(JFET)类型的光学传感器、或互补金属氧化物半导体(CMOS)类型的光学传感器。在一些实施例中，光学检测组件220可以包括光学感测部件的阵列。在一些实施例中，光学检测组件220可以包括波导。光学检测组件220还可以包括一个或多个带通滤波器和/或聚焦光学器件。在一些实施例中，光学检测组件220可以包括一个或多个光电二极管检测器，每个光电二极管检测器带有被调谐至特定波长范围的光学带通滤波器。

光学激发组件218和光学检测组件220可以分别使用双岔光纤进行集成，该光纤将激发光从光源引导到一个或多个感测元件202、或者同时引导到感测元件202和参比通道。返回光纤可以将来自感测元件202和参比通道的发射信号引导到一个或多个光学检测组件220，以便由处理器(例如微处理器)进行分析。在一些实施例中，光学激发组件和光学检测组件使用分束器组件和聚焦光学透镜进行集成，这些聚焦光学透镜将来自光源的激发光引导到感测元件并将来自感测元件的发射的或反射的光引导到光学检测器以便由处理器分析。

活性剂

本文中的不同实施例可以包括布置在外阻挡层内的活性剂。活性剂可以是当释放到患者体内时可以用作有用的治疗剂、预防剂、或甚至诊断剂的任何药物或生物活性剂。示例性的生物活性剂包括但不限于以下各项：抗炎剂；抗增殖剂；抗心律失常剂；抗迁移剂；抗肿瘤剂；抗生素；抗再狭窄剂；抗凝固剂；抗感染剂；抗氧化剂；抗巨噬细胞剂(例如双膦酸盐)；抗凝结剂(例如肝素、香豆定、阿司匹林)；抗血栓形成剂；免疫抑制剂；促进愈合的试剂；类固醇(例如糖皮质激素)；及其组合。

适合与本文中的实施例一起使用的活性剂具体可以包括但不限于抗炎剂。在一些实施例中，适合的抗炎剂一般可以包括类固醇并且尤其是皮质激素。在一些实施例中，抗炎剂可以包括酮咯酸、地塞米松、氢化可的松、泼尼松龙、甲泼尼龙、吲哚美辛、双氯芬酸、酮洛芬、吡罗昔康、安乃近镁等等。在一些实施例中，抗炎剂可以被配置为在植入该装置之后不久被洗脱。

在一些实施例中，适合的活性剂还可以包括血管生成剂，以促进毛细血管的向内生长。在一些实施例中，血管生成剂可以被配置为在稍后的时刻被洗脱(例如在稍早的时间点洗脱抗炎剂之后)以促进毛细血管向化学传感器的向内生长。

在一些实施例中，适合的血管生成剂可以包括生长因子，如血管内皮生长因子(VEGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、血小板源性生长因子(PDGF)等等。在一些实施例中，额外的活性剂可以包括固定的肝素，以防止血液凝块的形成。

本文中的活性剂可以呈不同的形式，包括在溶液中、作为悬浮体、作为颗粒等等。

本文中描述的实施例并非旨在是穷尽的或将本发明限制于在下面的详细说明中披露的确切形式。而是，选择和描述这些实施例以使本领域的其他技术人员可以领会和理解其原理和实践。已经参照不同的特定和优选的实施例和技术描述了多个方面。然而，应当理解的是，保持在本文的精神和范围内的同时，仍可以做出许多变化和修改。

应注意的是，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数的指代物，除非上下文另有清楚的指示。因此，例如，引用一种包含“一种化合物”的组合物包括两种或更多种化合物。还应当注意的是，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义来使用，除非上下文另有清楚的指示。

还应当注意的是，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，短语“被配置为”描述被构造为或被配置为用于执行特定任务或采用特定配置的系统、设备或其他结构。短语“被配置为”可以与其他类似短语(如被安排并配置为、被构造并安排为、被构造为、被制造和安排为等等)可互换地使用。

本说明书中所有的出版物和专利申请指示本发明所属领域中普通技术人员的水平。所有公开物和专利申请通过引用而结合于此，其程度等同于对每个单独的公开物或专利申请具体地且单独地通过引用而指明。本文中的内容都不应解释为是承认发明人无权先于任何出版物和/或专利(包括本文中引用的任何出版物和/或专利)。

Claims (7)

1.一种可植入的医学装置，包括：

化学传感器，该化学传感器被配置为用于检测体液中的离子浓度，该化学传感器包括：

感测元件，该感测元件包括

形成该感测元件的顶部、底部、和相反的侧面的外阻挡层，该外阻挡层限定其中布置有指示物珠的内部体积；

接触该外阻挡层并且被布置在该外阻挡层的外表面之下和该外阻挡层的顶部之内的结构增强元件；

该外阻挡层的顶部包括

分析物可透过的聚合物基质。

2.如权利要求1所述的可植入的医学装置，该结构增强元件包含聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应性离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物。

3.如权利要求1-2中任一项所述的可植入的医学装置，该结构增强元件选自包括织造材料、非织造材料、电纺材料、和无规织造材料的组。

4.如权利要求1-2中任一项所述的可植入的医学装置，该结构增强元件包括跨该外阻挡层的顶部与底部之间距离的一个或多个壁内支柱。

5.如权利要求4所述的可植入的医学装置，该一个或多个壁内支柱包含聚酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、烧结的钛、深度反应性离子蚀刻的硅、烧结的不锈钢、烧结的二氧化硅、液晶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物。

6.如权利要求1-2中任一项所述的可植入的医学装置，该外阻挡层包含聚HEMA、琼脂糖、藻酸盐、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、胶原蛋白、PEG、明胶、玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其混合物或衍生物。

7.如权利要求1-2中任一项所述的可植入的医学装置，还包括光学激发组件，该光学激发组件被配置为用于照明该感测元件；以及光学检测组件，该光学检测组件被配置为用于从该感测元件接收光。