CN111491562A - 具有包括机械响应材料的微针的可穿戴或可插入设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种可穿戴或可插入设备，其允许对生物标志物的持续进行的采样和分析以及自清洁。在各种实施例中，一种装置可以包括：基底(102)，其限定至少一个储存器(104)；以及从所述基底延伸的至少一个微针(106、306、406、506、606、706、806、906)。所述至少一个微针可以限定将至少一个储存器与患者的组织流体耦合的内腔(409、509、609、709、809、909)。在限定所述内腔的所述至少一个微针的内表面上的机械响应材料(670、770、870)可以对各种刺激做出反应以经历各种机械响应，诸如从所述至少一个微针的所述内腔清除流体的一种机械响应，以及将流体吸入到所述至少一个微针的所述内腔中的另一种机械响应。

Description

具有包括机械响应材料的微针的可穿戴或可插入设备

技术领域

本公开总体上涉及可穿戴或可插入设备用于对生物标志物的测量和/或对药物的施予的用途。更具体地但非排他性地，本文中公开的各种装置、方法和系统涉及具有机械响应材料的微针，所述机械响应材料对刺激做出反应以从微针清除流体或将流体吸入微针中。

背景技术

超滤是一种普遍使用的临床技术，其中，从样本基质排除造成不良传感器性能的大分子。常规的超滤通常通过使用商业滤膜来完成。这些滤膜通常类似于用于血液透析和血液滤过的过滤器以及离体使用的过滤器。可商购的滤膜被设计用于短期血液透析、血液滤过和/或超滤，并且这些可商购的过滤器具有相对异质的多孔结构。例如，已经开发了各种各样的膜(例如，聚砜、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯和聚(乙烯)乙二醇共(聚合物)、聚酰胺、纤维素、聚四氟乙烯膜以及纺成或织成相互连接的垫状结构的聚合物纤维)以促进水流的快速以及小分子和大分子的通过来进行短期血液透析、血液滤过和超滤。这些膜可能在短时间内表现良好，但由于蛋白质、细胞、血小板和血栓形成的粘附而可能形成阻塞性通路，使这些膜对于目标生物标志物的长期监测是不利的。

通常，生物标志物是可以在体内测量并影响、诊断或预测结果或疾病的发生率的物质、结构或过程产物。可以将生物标记物分类成各种不同的类别：1)筛选生物标记物，识别形成疾病的风险的生物标记物；2)诊断生物标志物，识别(或排除)疾病的生物标志物；3)预后生物标志物，预测疾病进展的生物标志物；4)药效学生物标志物，检查药理反应的生物标志物；5)监测疾病活动和对干预的临床反应的生物标志物；以及6)严重性生物标志物，其可以在临床试验中用作替代终点。生物标志物的一些非限制性示例包括细胞因子和白介素、电解质、酮、甘油三酸酯、胰岛素、葡萄糖、胆固醇、皮质醇、维生素、抗氧化剂、活性氧、用于癌症和抗癌治疗的标志物、循环肿瘤细胞、特定药物的标志物、微核糖核酸(miRNA)等。对生物标志物的长期监测可能与诊断或预后生物标志物特别相关(例如，对糖尿病患者内的胰岛素水平的长期监测)。

可植入多孔导管已经被提出用于长期监测，并且可以克服与传统滤膜相关联的一些问题。例如，这些建议包括使用可植入的微型泵，因此完全消除对样本收集设备(其可能堵塞)的需要。然而，作为植入设备的性质使这些提出的设备具有侵入性。可穿戴设备的使用越来越多，并且在临床环境和家庭监测中都越来越多地被接受。可以监测来自可穿戴或可插入设备的读数，然后可以将其用于调整人们的生活方式和/或药物。本领域中需要一种微创的、皮肤上的、可穿戴装置和方法，用于从样本基质中长期过滤大分子并监测目标生物标志物。

用于检测和分析生物标志物的可插入物和/或贴片(例如，电子纹身)需要以这样的方式被设计：使得在整个分析过程中适当地输送要被分析的体液。例如，这包括以下需要：抽取体液(例如，经由微针)、清洗检测表面/腔室以及清空分析回路(例如，清空微针，为下一分析阶段做准备)。通常通过使用设备内部的微型泵或通过利用毛细管力来实现这种设备内部的流体输送。然而，在设备内部使用微型泵通常带来以下缺点：通常，所有微针都同时被激活。并且，虽然这些泵不大，但是可穿戴(并且特别是可插入)设备中的空间有限，这使得对大量这种泵的使用代价过高。

发明内容

本公开涉及用于可穿戴或可插入设备的发明方法和装置，其允许对生物标志物的长期(连续或周期性)采样和分析。通常，在一个方面，公开了一种可穿戴或可插入设备，其中，所述可穿戴或可插入设备包含：可附着到患者的组织的衬底(或基底)；可再生过滤器，其中，所述可再生过滤器包括：耦合到所述衬底的采样单元，所述采样单元适于从所述患者的所述组织获得一个或多个流体样本；以及再生单元，其适于将流体回流施加到所述采样单元；与所述采样单元流体耦合的模块，其中，所述模块适于确定在所述一个或多个流体样本中包含的至少一种生物标志物的存在或测量；以及功率单元，其与所述再生单元可操作地耦合。

在一些方面，所述采样单元还包括与至少一个储存器流体连通的多个微针，所述储存器适于向检测模块或测定模块提供样本。在其他方面，多个微针中的每个具有约1.5μm至约2μm的内直径和具有表面化学梯度涂层的内腔，其中，表面化学梯度通过来自检测模块或功率单元的信号来切换。在另外的其他方面，多个微针中的每个具有内腔，该内腔涂覆有已知用于防污的生物相容性材料。

在一些方面，再生单元主动地将流体回流施加到采样单元。在其他方面，再生单元还包含压电单元，所述压电单元适于通过由压电单元生成的超声压力波可逆地清空和清洁采样单元。在另外的其他方面，再生单元还被布置为将可切换电场跨绝缘层施加到多个微针中的每个微针的内腔。在另外的其他方面，再生单元还包含适于在通过采样单元的流体回流中产生冲击波的光元件。在另外的其他方面，再生单元还包括旋转元件，所述旋转元件被布置为诱发通过采样单元的非牛顿体液的上流和回流。

通常，在另一方面，公开了一种监测患者的生理状况的方法，其中，所述方法包括：将可穿戴或可插入设备放置在患者上；利用所述可穿戴或可插入设备收集一个或多个流体样本，其中，所述一个或多个流体样本通过采样单元收集；防止所述采样单元的堵塞，其中，所述防止包括将流体回流引入通过所述采样单元；基于收集到的一个或多个流体样本来确定至少一种生物标志物的测量或存在；以及基于所确定的所述至少一种生物标志物的测量或存在来推断所述患者的所述生理状况。在所述方法的一些方面，采样单元还包含多个微针，并且防止采样单元的堵塞包括每个微针具有涂覆有已知用于防污的生物相容性材料的内腔。

在所述方法的一些方面，防止采样单元的堵塞包括通过由压电单元生成的多个超声压力波发起的负压施加反向的流体流。在所述方法的其他方面，防止采样单元的堵塞包括跨绝缘层向多个微针中的每个微针的内腔施加电场。在所述方法的另外的其他方面，防止采样单元的堵塞包括向可穿戴或可插入设备施加外力。在所述方法的另外的其他方面，防止采样单元的堵塞包括在多个微针内部切换表面化学，所述多个微针中的每个微针都具有带有梯度涂层的内腔和约1.5μm至约2μm的内直径。在所述方法的另外的其他方面，防止采样单元的堵塞包括使用冲击波来施加通过采样单元的流体回流。在所述方法的另外的其他方面，防止采样单元的堵塞包括中断在多个微针中的每个微针内的旋转杆的旋转。在所述方法的另外的其他方面，所述方法还包括与一个或多个远程计算设备交换关于患者的生理状况的数据。

通常，在另一方面，公开了一种监测患者的生理状况的方法，所述方法包括：将可穿戴或可插入设备放置在患者上，其中，所述可穿戴或可插入设备包含：可附着到患者的组织的衬底；可再生过滤器，其中，所述可再生过滤器包含耦合到所述衬底的采样单元，所述采样单元适于从所述患者的所述组织获得一个或多个流体样本；以及再生单元，其适于将流体回流施加到所述采样单元；与所述采样单元流体耦合的模块，其中，所述模块适于确定在所述一个或多个流体样本中包含的至少一种生物标志物的存在或测量；以及与逻辑或所述再生单元可操作耦合的功率单元；利用所述可穿戴或可插入设备收集一个或多个流体样本，其中，所述流体样本是通过采样单元收集的；防止所述采样单元的堵塞，其中，所述防止包括引入流体回流；基于收集到的一个或多个流体样本来确定至少一种生物标志物的测量或存在；以及基于所确定的至少一种生物标志物的测量或存在来推断所述患者的所述生理状况。

在所述方法的一些方面，防止采样单元的堵塞包括每个微针具有涂覆有已知用于防污的生物相容性材料的内腔。

在另一方面，一种医学设备可以包括：基底，其限定至少一个储存器；从所述基底延伸的至少一个微针，其中，所述至少一个微针能插入组织中并限定将所述至少一个储存器与所述组织流体耦合的内腔；以及机械响应材料，其被设置在所述至少一个微针的内表面上，其中，所述至少一个微针的所述内表面限定所述至少一个微针的所述内腔，并且所述机械响应材料对刺激做出反应以经历一种或多种机械响应。

在各种实施例中，所述医学设备还可以包括一个或多个刺激部件，所述一个或多个刺激部件被选择性地激活以向机械响应材料提供所述刺激。在各种实施例中，机械响应材料的一种或多种机械响应中的至少一种机械响应从至少一个微针的内腔清除流体。在各种实施例中，医学设备还可以包括被定位在机械响应材料与至少一个储存器之间的阀。在各种实施例中，所述阀可以是可关闭的，使得机械响应材料的至少一种机械响应将流体从所述内腔清除到组织中。在各种实施例中，所述阀是可打开的，使得机械响应材料的至少一种机械响应将流体从所述内腔清除到所述至少一个储存器中。

在各种实施例中，机械响应材料的一种或多种机械响应中的至少一种机械响应将流体吸入到至少一个微针的内腔中。在各种实施例中，一种或多种机械响应中的第一机械响应可以包括机械响应材料的膨胀，并且一种或多种机械响应中的第二机械响应包括机械响应材料的收缩。

在各种实施例中，机械响应材料可以被划分为沿着至少一个微针的长度布置的多个单独反应片段，其中，以预定序列对多个单独反应片段的刺激可以使单独反应片段根据预定序列膨胀以将流体从内腔清除或将流体吸入到内腔中。

在各种实施例中，机械响应材料可以包括从内表面延伸到内腔的一个或多个桨叶，其中，一个或多个桨叶能够操作以将流体从内腔清除或将流体吸入到内腔中。在各种实施例中，一个或多个桨叶可以包括多个可单独操作的桨叶，所述多个可单独操作的桨叶能以预定序列操作以将流体从内腔清除或将流体吸入到内腔中。在各种实施例中，所述桨叶中的一个或多个桨叶可以能操作为阀以选择性地打开和关闭内腔。在各种实施例中，一个或多个桨叶中的至少一个给定桨叶包括折叠致动器，所述折叠致动器能够操作以将给定桨叶折叠在其自身上。

在各种实施例中，机械响应材料可以在其中机械响应材料吸引流体的亲水状态与其中机械响应材料排斥流体的疏水状态之间转换。在各种实施例中，机械响应材料利用电活性聚合物(“EAP”)或磁流变弹性体(“MRE”)构造。在各种实施例中，机械响应材料利用形状记忆聚合物或光激活液晶网络构造。

在各种实施例中，所述刺激可以包括热、电、电磁辐射(即，可见光或不可见光)、一个或多个声波、磁场、或其任何组合。

在本文中使用的情况下，术语“附着”或“可附着”可以包括设备到组织的可移除附接，例如利用粘合材料到皮肤的外表面的可移除附接。额外地或备选地，术语“附着”或“可附着”还可以包括设备到内部组织中的插入和放置。

附图说明

在附图中，通常但非排他性地，类似的附图标记指代不同视图中的相同部分。此外，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本公开的原理上。

图1示出了具有可穿戴设备的实施例的人类皮肤的横截面。

图2描绘了用于确定患者的生理状况的示例性方法。

图3描绘了配置有本公开的选定方面的被插入患者的组织中的装置的实施例。

图4A、图4B和图4C描绘了可以如何清除微针的阻塞和/或粘附的一个示例。

图5描绘了具有电润湿元件的微针的示例。

图6A、图6B和图6C描绘了包括机械响应材料的微针的一个实施例。

图7A和图7B描绘了包括机械响应材料的微针的另一实施例。

图8A和图8B描绘了包括机械响应材料的微针的另一实施例。

图9A、图9B和图9C描绘了包括机械响应材料的微针的另一实施例。

图10描绘了用于确定患者的生理状况的另一示例性方法。

具体实施方式

通过可穿戴或可插入设备(周期性或连续)获取血液样本的挑战在于将各种成分细胞与血浆蛋白和感兴趣的其他分子生物标记物分离。由于蛋白质、细胞、血小板等的粘附可能会在采样孔或过滤器中产生阻塞，因此这可能具有挑战性。因此，期望防止这种堵塞。可能还希望分离血细胞、血小板和目标生物标志物(例如，血浆蛋白、如胆固醇和葡萄糖的小分子)。通过滤除各种分子并防止采样孔的堵塞，可以通过使用可穿戴或可插入设备来实现对生物标志物的准确的长期(周期性或连续的)读数，以便跟踪个体患者的健康状况。

本文中描述的可穿戴或可插入设备可以包括可再生过滤器、用于执行生化测试的测定模块、用于检测目标生物分子的存在的检测模块、用户接口、功率单元和/或逻辑。在各种实施例中，可再生过滤器还可以包括用于收集样本的采样单元和防止过滤器的长期阻塞的再生单元。采样单元可以被配置为从患者收集样本，并且还可以包括限定尺寸的孔、带电表面、特定尺寸的微针以滤除不希望的分子等。虽然本文中描述的示例涉及对“微针”的使用，但这并不旨在为限制性的。例如，也可以使用电纺纤维以便滤除不希望的分子，并且本文中描述的装置和方法也可以与电纺纤维或本领域已知的其他过滤机构结合使用。

在一些实施例中，采样单元包括能够到达诸如小血管和/或毛细血管或组织液的解剖结构的微针阵列。在一些实施例中，微针的内直径可以足够大以容纳血浆的通过，但足够小以防止红细胞(RBC)、白细胞(WBC)和血小板进入微针的通过。存在多种类型的WBC，例如嗜中性粒细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞等，并且因此WBC的大小的范围很广。通常，WBC的直径范围为从约6.8μm至约30μm。RBC通常是盘形的，并且直径范围为从约6.2μm至约8.2μm，并且厚度为约2μm至约2.5μm。血小板范围通常从约2μm至约3μm。因此，内直径为约1.5μm至约2μm的微针可以防止这些类型的细胞进入微针的通过，并且因此防止这些类型的细胞进入可穿戴或可插入设备的通过。

参考图1(未按比例绘制)，示出了本文中公开的可穿戴设备100的实施例。在所示的实施例中，可穿戴设备100是具有用户接口150、功率单元160和逻辑140的薄贴片或纹身状结构的形式。在各种实施例中，借助于衬底102(其取决于应用可以是柔性的或刚性的)将可穿戴设备100附着到患者。例如，可以将设置在衬底102的一侧(例如，图1中的底侧)上的微针106插入(例如，刺入)组织107，在一些情况下，该组织可以是患者皮肤的表面。假设是这种情况，组织107可以包括通过表皮-真皮交界(“EDJ”)118与真皮116分开的表皮114。微针106的尖端108可以到达一个或多个毛细血管120(其可以携带动脉或静脉血液)。假设待测定的生物标志物122被包含于毛细血管120中，可以经由一个或多个微针106收集流体样本，使得由于微针的内直径的尺寸约束而无法收集RBC、WBC和血小板。虽然主要根据血液样本进行描述，但其不应被理解为限制性的，在备选实施例中，待分析的生物标志物可以在其他样本类型中，并且可以从其他样本类型收集样本，其他样本类型包括但不限于唾液、汗液、淋巴液、尿液、组织液、粪便、集中的呼气。在这些和其他实施例中，微针的内直径的大小可以基于预期用途和目标生物标志物而变化。例如，微针的内直径可以大于1.5μm至约2μm，其中，目标生物标志物大于这些约束。

图1的可穿戴设备100还包括可再生过滤器。可再生过滤器可以包括采样单元103和再生单元130。采样单元103可以包括部件的集合，例如先前描述的微针106，以及在一些实施例中，用于存储所收集的样本(但是不一定全部来自个体微针)的至少一个储存器104。在其他实施例中，如下面参考图3所描述的，该设备可以被插入组织表面下方。

随着时间，由于蛋白质、细胞、血小板等的聚集和/或粘附，采样单元103的部件(例如微针106)可能变得阻塞。利用常规方法，采样单元103的孔(例如，微针的内腔)在数小时的连续或周期性采样内可能堵塞。因此，在各种实施例中，微针106的内腔可以被涂覆有已知增强防污性的生物相容性涂层，例如白蛋白或基于聚(乙烯)乙二醇的涂层。这些生物相容性涂层可以通过使蛋白质、细胞等到微针的内腔的粘附最小化来减慢微针的开口的阻塞。然而，在一些情况下，这些涂层可能不足以防止在长期使用期间的阻塞。避免阻塞采样单元103的微针106的其他方法包括但不限于利用抗凝剂(例如肝素)冲洗或清洗微针、微针的内腔上的诱捕空气的涂层以便防止微针的尖端的堵塞和/或使用致动或振动来防止和打破阻塞。微针的这种冲洗或清洗可以通过各种技术来驱动，各种技术包括但不限于使用电场(例如，电润湿、对表面梯度的使用、等等)。

虽然使用了常规的预防方法，但是在采样单元103中可能会发展阻塞。在长期监测中可能尤其如此，其中，随着时间的进行，采样单元103有效地收集样本的能力会随时间而变差。因此，可穿戴设备100用于长期监测的能力部分取决于防止和/或清除这些阻塞的能力。再生单元130可以通过将流体回流引入通过采样单元103来防止采样单元103的长期阻塞，该流体回流可以使已经粘附到(一个或多个)微针的(一个或多个)内腔的任何蛋白质、细胞等驱逐并挤出。在一些实施例中，该流体可以是能够通过采样单元103(例如，微针106)的流体，并且可能已经由可穿戴设备100进行了分析。备选地或额外地，流体可以是最近收集的并源自小型储存器(例如104)。这样的储存器在存在时还可以包含额外的元素(例如，有助于抵抗阻塞的其他化学品，例如抗凝剂)。另外，流体的回流可能创建不利于在采样单元103中形成这些粘附和阻塞的条件。本文中描述了用于由再生单元130生成和施加回流和/或负压的各种机制。

在一些实施例中，再生单元130可以包括压电单元，该压电单元可以使用电来生成压力以通过施加反向流体流来主动地再生过滤器(例如，采样单元103，其如上所述包括微针106)，包括(一个或多个)微针106的(一个或多个)内腔。在一些实施例中，压电单元可以包括一个或多个振动的压电晶体和/或一个或多个电容微机械超声换能器(CMUT)，其附着到微针或紧邻微针定位。压电单元可以在包含于微针的内腔内的包括(一个或多个)目标分析物的流体内产生针壁振动和真空气泡。这些气泡可以以足够的强度来生长、振荡和塌陷/内爆，以清除内腔的已吸附或粘附的生物分子。换句话说，由压电单元产生的超声波可以通过空化技术产生短而强烈的流体流，其用于驱逐并挤出可能已经粘附到微针的内腔的任何蛋白质、细胞等。

在一些实施例中，除了例如通过使用压电单元再生过滤器外和/或与之同时地，，可以实现流体到患者的组织或收集储存器中的连续流入。在一些实施例中，可以通过使用几何锥形的微针和/或微针的几何锥形的内腔、使用涂层和/或其他技术来生成微针的内腔内的疏水性与亲水性之间的切换、和/或使用微针内或附近的电荷(包括但不限于使用如本文中所描述的电润湿)来促进该连续流体到患者的组织或收集储存器中的流入。在一些实施例中，流体流可以被引导到设备中，例如被引导到储存器中。在其他实施例中，流体流可以被引导到患者的组织中。在另外的其他实施例中，流体流的方向性可以通过压电单元相对于微针的放置来确定。作为说明性的非限制性示例，在(一个或多个)压电晶体被放置在微针的基底处(例如，通过衬底；如图4A、4B和4C中所示)的情况下，流体流可以被引导到患者的组织中。备选地，在(一个或多个)压电晶体被放置在微针尖端处(图4A、4B和4C中未示出)的情况下，流体流可以被引导到设备中。另外的实施例可以包括加速度计，该加速度计可以提供关于重力方向的设备信息，其可以允许设备识别最合适的致动段以用于在过滤器再生中使用。

图4A、图4B和图4C示出了用于防止采样单元的堵塞的技术，以及体现了将空化技术与压电单元一起用于这种预防的装置。图4A示出了清洁微针并清除其内腔409的阻塞的技术的阶段420。在阶段420中，微针406或多个微针406具有待清洁的粘附/阻塞。图4A的装置包含至少一个微针406、压电单元408和功率输入412，其中，各种血细胞和/或体液402等粘附到微针406的内腔409的表面。在一些实施例中，包括图4A、4B和4C中描绘的，压电单元408可以包含它自己的电源412(例如电池)。然而，在其他实施例中，压电单元408可以从可穿戴设备100的电源160吸取电力。在例示上述技术的阶段440的图4B中，正在积极地清除微针406的阻塞，例如，通过由压电单元408以气泡422的形式生成的声空化来产生气泡422。因此，这些气泡422用于驱逐并挤出可能已经粘附到微针404的内腔的任何蛋白质、细胞等(例如，变化的成分的粘附402)。

图4C示出了清洁微针406的最后阶段460，在该阶段中清除微针的阻塞。在阶段440处产生的气泡422的塌陷/内爆生成流体回流，该流体回流清除微针406的任何驱逐的碎屑。虽然在图4A、图4B和图4C中仅示出了单个微针406，但是这不应当被理解为限制性的，因为本文中示出的方法和装置可以与单个微针或多个微针一起使用。

在另外的其他实施例中，再生单元130可以通过调整微针内的毛细管力来起作用。例如，调整微针内的毛细管力可以通过电润湿的过程来实现，在该过程期间，跨隔离微针的内表面的层施加电场，从而导致表面张力从其中流体被吸取到微针的内部(例如，用于在样本收集期间使用)的亲水性改变为其中流体被从针的内部被排斥(例如，用于在从微针释放收集到的样本中使用)的疏水性。然而，在一些实施例中，从内表面排斥可能不是立即的。此外，可以重复施加和去除引起表面张力从亲水性到疏水性的改变的电场。这种重复施加以及对应的表面张在亲水性与疏水性之间的的来回切换可以冲洗流体通过微针并清除存在的任何粘附或阻塞。在一些实施例中，表面张力在亲水性与疏水性之间的来回切换结合由此生成的流体流还可以用于从微针的内表面分开阻塞物质和/或粘附。

还可以使用其他技术来改变微针的内腔的表面化学。例如，微针的内腔可以被涂覆使得该涂层从微针的尖端到微针的相对端是疏水到亲水的梯度(或反之亦然)。这样的梯度可以引起通过微针的内腔的回流，并且可以驱逐并挤出已经粘附到微针的内腔的表面的任何蛋白质、细胞等。这些梯度涂层可以一直存在于微针的内腔中，或者它们可以根据期望而被选择性地施加。例如，可以通过使用光来改变微针的内腔的表面化学，使得目标分析物(例如生物标志物)到测定和/或检测单元的供应的中断发出光信号来使得表面化学被调整以形成梯度。

虽然本文中在使用电润湿或梯度方面进行了描述，但是使用表面化学以诱发回流并因此防止微针中的阻塞的形成不受此限制。可以使用本领域中已知的调整毛细管力的任何方法，其能够使表面张力和粘附力交替，以便施加回流并诱发驱逐已经粘附到微针的内腔的任何蛋白质、细胞等。

在其他实施例中，如图5中所示，再生单元130可以使用电润湿来激活电极元件并动态地改变微针的内腔内的流体的微滴。在微针的内腔中固有的液体-液体或液体-空气界面处可以发生这种电湿润。如图5中所示，一个或多个电润湿电极501₁-501_n可以被周向地集成到微针506本身中，包括但不限于集成到微针506的内腔509中。如图5中所示的电极可以被连接到由电池503供电的一个或多个开关(502₁-502_n)。(例如，通过一个或多个开关)对电极元件501₁-501_n的顺序激活和多路复用可以导致包含于微针506的内腔509中的流体(包括但不限于存在的任何(一个或多个)目标分析物522(例如，(一个或多个)生物标志物))动态地改变，因此改变微针506的内腔509与生物分析物522之间的接触角度。在一些实施例中，这可以导致流体(生物分析物/生物标志物522)(包括在内腔509中存在的任何(一个或多个)目标分析物)的角度被减小。这种顺序激活和多路复用可以诱发梯度和/或泵送动作，其可以导致流体流动。在一些实施例中，流体可以从微针506的内腔509流入到患者的组织中。在其他实施例中，流体可以从微针506的内腔509流入到设备内的容器(例如储存器或废物容器(图5中未示出))中。

在另外的其他实施例中，再生单元130利用外力来使流体从微针中流出。可以将外部压力施加到可穿戴或可插入设备100内部的腔室，其生成流体流过微针的内腔然后从内腔流出(即，回流)。这种回流可以驱逐并挤出已经粘附到微针的内腔的任何蛋白质、细胞等，因此去除任何阻塞并允许继续采样和监测。在一些实施例中，产生流体回流的流体可以是能够通过过滤器的流体，并且可能先前已经由可穿戴或可插入设备进行了分析。备选地或额外地，流体可以在最近被收集并源自小型储存器(例如104)。这样的储存器在存在时还可以包含额外元素(例如，有助于对抗阻塞的其他化学品)。在一些实施例中，外部压力可以来自穿戴者例如用手指按压在设备的指定区域上。在其他实施例中，外部压力可以来自备选的机械源。当外部压力被去除时，由于设备和/或腔室的弹性，腔室和可穿戴或可插入设备两者都可以返回到其原始状态。一旦恢复到原始状态，样本收集和监测就可以照常继续进行。

在其他实施例中，冲击波可以用于生成并施加回流和/或负压。通常，冲击波可以传播通过采样单元(例如，微针的内腔)中存在的任何阻塞，并且这可以引起(一个或多个)阻塞中的压力、温度、密度等的变化。这些变化可能导致存在的任何阻塞(例如，蛋白质、细胞等的粘附)被驱逐并挤出微针的内腔。可以使用本领域中已知的产生冲击波的任何方法。然而，可以使用光或激光诱发的液体射流产生。通常，激光诱发的液体射流产生的过程涉及将光纤插入充满水的毛细管中。然后，激光束经由光纤传输，并朝着毛细管出口产生水蒸气气泡。然后，水通过膨胀的气泡从毛细管出口排出。微气泡的塌陷和反弹以及由水的散发生成的水流产生冲击波。关于可穿戴或可插入设备，可以在必要时将光纤插入微针的内腔中，以防止或清除任何阻塞。备选地，光纤可以保留在适当的位置中，例如，在微针的内腔内，并且可以在必要时被激活。激光束经由光纤在微针的充满流体的内腔中的传输可以产生气泡，其然后可以驱逐到内腔的任何阻塞或粘附。气泡还可以导致流体和/或任何驱逐的阻塞或粘附从微针的内腔中被排出。

在其他实施例中，魏森伯格效应可以用于诱发流体通过微针的回流。魏森伯格效应是一种物理现象，其中，旋转杆或其他旋转元件被插入到非牛顿液体溶液中。液体不是被旋转杆向外抛出，而是被吸引向杆并围绕杆上升。在一些实施例中，可穿戴或可插入设备还可以在微针内部包含旋转杆，使得旋转杆和魏森伯格效应有助于收集样本并拉动流体通过微针的内腔。杆在微针内的旋转可以由可穿戴或可插入设备的功率单元供电。当杆的旋转被中断时，围绕杆上升的流体将在没有由于惯性的另外干预的情况下流回(朝向并最终通过微针的尖端)。在杆旋转停止时，这种流体回流驱逐并挤出当前可能附着到微针内腔或在微针的内腔内的蛋白质、细胞等的任何阻塞或粘附。

再次参考图1，所示的可穿戴或可插入设备100的实施例还包括检测模块170，其检测目标生物分子的存在。例如，检测模块170可以用于检测样本中的葡萄糖或胆固醇的存在。当期望信息是目标生物分子的存在/不存在数据时，这可以是分析的结论。然而，在可能期望定量测量的情况下，测定模块180可以对样本进行生化测定。测定模块180可以使用基于化学、电学、光学或其他基于能量的方法和/或任何其他常规测定技术来执行生化测定。在一些实施例中，检测模块170和测定模块180可以被并入到相同的物理空间和/或具有两个功能的单个模块中。在一些实施例中，测定模块180可以使用化学或酶促技术和光学测量设备。例如，化学反应可能会导致颜色变化的梯度以指示测量结果。然后可以由光学读取器读取和解释该颜色变化。在其他实施例中，测定模块180可以被配置为使用诸如或类似于以下的技术：酶联免疫吸附测定(“ELISA”)，其使用抗体和颜色变化或荧光来识别生物标志物；西方印迹法(或“蛋白质免疫印迹”)；东方印迹法；南方印迹法；北方印迹法；西南方印记法，电泳，质谱，基因或蛋白质阵列，流式细胞术等。在其他实施例中，测量可以包括使用例如用于基因表达研究或定量聚合酶链式反应(PCR)的微阵列技术的转录组测定。在另外的其他实施例中，测量可以包括表观遗传标志物，例如DNA甲基化、组蛋白乙酰化和miRNA。

可穿戴或可插入设备100还可以包含用户接口150，如图1中所示。用户接口150可以包括数据输入和/或输出部件，并且还可以直接与设备附接和集成，或者为了方便使用和访问可以与其分开。例如，用户可以经由并入可穿戴或可插入设备100上的触摸屏、诸如语音识别系统、麦克风等的音频输入系统通过用户接口150输入数据。在其他实施例中，利用经由逻辑140与可穿戴或可插入设备100无线耦合的远程计算设备(例如，计算机、智能电话、智能手表等)，用户可以与可穿戴设备100接口连接。例如，在一些实施例中，用户可以输入对待执行的生化分析的类型的选择。数据可以经由视觉显示器(诸如可穿戴设备上的液晶显示器(LCD))和/或通过非视觉输出(诸如音频和触觉输出)输出给用户。在其他实施例中，用户可以通过经由逻辑140与可穿戴或可插入设备100无线耦合的辅助设备(例如，计算机、智能电话等)从可穿戴设备100接收通知或输出信息。例如，在一些实施例中，用户接口150可以向用户输出指示生化分析的结果的信息，和/或可以指示期望再生单元激活回流以清洁采样单元103。

功率单元160可以采取各种形式，例如一个或多个电池，其可以是可充电的或不可充电的，例如使用一个或多个集成太阳能电池(未描绘)或通过周期性地连接到电源。此外，功率单元160可以是各种功率收集技术(其中从设备的穿戴者的热量生成电能)、从人体和/或生物燃料电池内的离子的电化学收集技术、等等。备选地，能量收集可以由于从动能生成电势而发生。在另外的其他实施例中，可以从太阳能或其他设备生成功率以向逻辑和其他模块供电，同时还对电池充电以供稍后使用。甚至进一步的实施例可以允许通过与外部感应场源的感应耦合来生成功率。当然，在一些实施例中，可以省略功率单元中的一个或多个，以有利于外部功率和/或计算资源，例如可以与例如逻辑140可操作地耦合的计算设备。

逻辑140可以采取各种形式，例如一个或多个微处理器，其运行存储在存储器(未描绘)中的指令，该指令可以在功能上与逻辑或其他支持电路连接。其他形式的逻辑可以包括现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)或其他类型的控制器和/或信号处理器。在各种实施例中，逻辑140可以控制本文中描述的装置100的操作的各个方面。在一些实施例中，逻辑140可以包括一个或多个有线或无线通信接口(未描绘)，其可以用于使用诸如蓝牙、Wi-Fi、USB等的各种技术与一个或多个远程计算设备交换数据。在各种实施例中，逻辑140可以例如经由一条或多条总线(未描绘)与一个或多个再生单元130可操作地耦合，并且可以被配置为操作一个或多个再生单元130以诱发流体通过采样单元的回流。

现在参考图2，描绘了用于确定患者的生理状况的示例性方法200，该方法例如可以使用本文中描述的装置(100)来实践。虽然以特定次序描绘了方法200的操作，但这并不意味着限制。在各种实施例中，一个或多个操作可以被添加、省略和/或重新排序。

在框202处，可以将配置有本公开的选定方面的可穿戴或可插入设备放置到患者的组织(例如患者的皮肤)上或插入到其中。在一些实施例中，这可以包括将至少一个微针插入组织中。可穿戴设备可以以各种方式粘附到患者的组织。在采用多个微针的一些实施例中，将微针插入到组织中本身可以将可穿戴设备附着到患者的组织。在其他实施例中，微针可以保持在凹进位置中，并在插入到组织中之后的稍后时间点被部署或发射。额外地或备选地，可以将各种生物相容性粘合剂施加到可穿戴或可插入设备，以将可穿戴设备附着到患者的组织。在一些实施例中，可以使用粘性绷带或其他合适的部件将可穿戴或可插入设备“胶粘”到患者的组织。在其他实施例中，如下面关于图3所描述的，可以将设备插入组织表面下方。在一些实施例中，粘合剂可以用于多种用途。例如，在一些实施例中，粘合剂还可以在外科手术等之后用于密封血管(例如，纤维胶、氰基丙烯酸酯、电固化胶等)。在其他实施例中，粘合剂可以是用于在将由压电单元生成的声(超声)波耦合到患者组织中使用的凝胶贴片或硅橡胶贴片。

在框204处，可穿戴或可插入设备通过采样单元收集一个或多个流体样本。在一些实施例中，采样单元包含内直径为约1.5μm至约2μm的微针，以便从通过(一个或多个)微针并因此进入可穿戴或可插入设备中的流体中滤出RBC、WBC和血小板。在一些实施例中，流体样本的收集可以在定义的时间段内连续进行，或者直到固定活动完成为止。在其他实施例中，在各个时间点收集样本。在一些实施例中，样本被收集的时间段可以由用户、第三方、被监测的生物标志物的必要性等来定义。在其他实施例中，样本被收集的时间段可以保持不确定。

在框206处，可穿戴或可插入设备使用通过采样单元的流体回流来防止采样单元和过滤器的堵塞。换句话说，再生单元通过将流体回流引入到采样单元中来防止采样单元(例如微针)的长期阻塞，该回流可以驱逐并挤出已经粘附到微针的内腔的任何蛋白质、细胞等。如上所述，存在用于通过再生单元生成流体回流的多个实施例，这些实施例包括但不限于：再生单元还包括压电单元；通过电润湿和/或光来调整毛细管力/表面化学；施加外部压力；使用冲击波；使用在魏森伯格效应之后产生的条件；以及其组合。此外，在一些实施例中，在清除采样单元和过滤器之后，回流材料可以被回收或者可以被周围的组织重新吸收。

在框208处，可穿戴或可插入设备检测和/或测量至少一种生物标志物。在一些实施例中，可穿戴设备包含检测模块，该检测模块检测目标生物分子的存在，以便确定目标生物分子的存在或不存在。在其他实施例中，在期望定量测量的情况下，测定模块可以对样本进行生化测定。测定模块可以使用化学、电学、光学或其他基于能量的方法和/或任何其他常规测定技术来执行生化测定。应当理解，对检测模块和测定模块的使用不是互相排斥的，并且在一些实施例中，两者都可以存在于可穿戴或可插入设备中。

在框210处，可穿戴或可插入设备基于来自框208的测量结果来推断与患者的生理状况有关的信息。例如，可穿戴或可插入设备的存储器(未描绘)可以用查找表或其他类似数据进行预编程，该查找表或其他类似数据使得逻辑能够基于由采样单元收集的样本中的一个或多个生物标志物的测定来确定关于生理状况的信息。

在一些实施例中，配置有本公开的选定方面的可穿戴或可插入设备可以与各种远程计算设备通信地耦合以便交换数据。例如，耦合可以包括一个或多个有线或无线通信接口，其可以用于使用各种技术(例如蓝牙、Wi-Fi、超宽带(UWB)等)与一个或多个远程计算设备交换数据。在一些实施例中，这种耦合允许显示(视频、音频或任何其他已知方式)数据。

虽然本文中描述的实施例主要涉及患者附着到其皮肤的外表面的可穿戴装置，但这并不意味着是限制性的。本文中描述的各种技术和机制同样适用于可以被插入患者的皮肤下方的设备。图3描绘了已经被皮下插入患者的组织307的真皮316中的可插入装置300。图1中描绘的部件中的许多部件在图3中也进行了描绘，许多部件例如为采样单元103、再生单元130、检测模块170、测定模块180、功率单元160和逻辑140，因此被类似地编号。与上述其他实施例不同，可插入装置300包括从第一侧304和第二侧305都突出的微针306。虽然在图3中未描绘，但是在一些实施例中，微针306可以从基底(或衬底)302的其他表面突出，其他表面例如侧面(即，横向于患者的皮肤的外表面)。此外，虽然本文中描述的基底302和其他基底已经通常是长方体，但这并不意味着是限制性的。在各种实施例中，本文中描述的基底302和其他基底可以具有其他形状，例如圆柱形、球形、金字塔形或任何其他二维或三维形状或体积。

虽然图3的可插入设备300被示为皮内地插入到组织307中，但这并不意味着是限制性的。在各种实施例中，可插入设备300可以被插入到其他深度，这取决于其意图实现什么感测和/或扩大/切除目的。例如，在一些实施例中，可以将可插入装置300插入到组织307的较深层的组织中，例如插入组织307的真皮(又称皮下脂肪层、脂肪组织)中。应当理解，在各种实施例中，关于在每个附图中描绘的每个实施例描述的一个或多个特征可以单独地或与其他公开的特征组合地并入本文中描述的任何其他实施例中以及本文中未明确描述的其他实施例中。

通过提供通过引入流体回流来防止采样单元的长期堵塞或阻塞的再生单元，可以将本文中描述的可穿戴或可插入设备和方法用于长期连续或周期性监测。取决于个体患者的诊断、治疗和管理目标，诱发回流的方法可以变化，并且所监测的生物标志物也可以变化。

图6A、图6B和图6C(以横截面)例示了本公开的另一方面，其中，可以与本文中描述的各种实施例一起采用的微针606或其自身包括机械响应材料670，该机械响应材料例如限定内腔609和/或形成内腔609的内衬。在一些实施例中，机械响应材料670可以包括对材料的(例如连续)沉积。机械响应材料670可以采取各种形式，并且可以对各种类型的刺激做出机械反应。这些刺激可以包括热刺激(例如，热和/或热梯度的变化)、电、化学暴露、磁场的施加、声刺激(例如，超声波)和/或光刺激(例如，紫外线、可见光等)中的一个或多个。可以刺激(或激活)机械响应材料670以诱发各种类型的机械响应，例如膨胀、收缩、预定移动或其任何组合，其继而可以从内腔609冲洗流体和/或将流体吸入到内腔609中。

在各种实施例中，这些刺激可以由一个或多个刺激部件671施加，一个或多个刺激部件例如光源(例如，发光二极管，单独或与诸如准直器、光导、透镜等的各种光学部件组合)、压电部件、扬声器、化学注射器、磁体、导电触点、导热触点等。可以将一个或多个刺激部件671相对于微针606布置在各个位置处，例如在其基底处、沿其长度、靠近其尖端或在基底/衬底(例如102、302)中的其他地方。在各种实施例中，一个或多个刺激部件671可以被操作以基于用户输入(例如，用户按下按钮或说出命令)、周期性地(例如，根据调度)、或否则自动地(例如，响应于各种事件，诸如储存器104被填充或排空，或者未能填充或排空)来提供前述刺激中的一个或多个。为了简洁和清楚起见，仅单个刺激部件671在图6A中进行描绘，但是可以在其他地方存在。在其中多个刺激部件671被提供的一些实施例中，多个刺激部件671的子集可以被选择性地操作以向多个微针的子集提供刺激，例如，使得当流体被吸入其他微针时从一些微针清除流体。

在一些实施例中，机械响应材料670可以采取电活性聚合物(“EAP”)的形式，其例如对电做出机械反应。额外地或备选地，在各种实施例中，机械响应材料670可以采取磁流变弹性体(“MRE”)的形式，其例如对施加磁场做出机械反应。MRE可以是一类固体，其包括具有嵌入的微米或纳米级铁磁颗粒的聚合基质。在一些实施例中，这些颗粒可以包括羰基铁。额外地或备选地，在各种实施例中，机械响应材料670可以采取形状记忆材料的形式，例如形状记忆聚合物，其对例如温度变化做出机械反应。额外地或备选地，在各种实施例中，机械响应材料670可以采取光激活液晶网络的形式，其例如对各种形式的光(电磁辐射)做出机械反应。

在一些实施例中，类似于在图5中描绘的实施例，机械响应材料670可以包括在其中其吸引流体的亲水状态与其中其排斥流体的疏水状态之间可转换的材料(例如，涂层)。在一些这样的实施例中，可以使用诸如图5中描绘的电润湿电极501_1-n的技术来使这种材料如此转换。在一些实施例中，可以采用(N-十二烷基三甲氧基硅烷)改性的三维泡沫铜，其可以使用诸如关于图5描述的那些电极工艺在亲水状态与疏水状态之间转换。额外地或备选地，在一些实施例中，可以采用无定形含氟聚合物，并且可以使用例如施加的电压在亲水状态与疏水状态之间转换。额外地或备选地，在一些实施例中，可以采用具有带有疏水部分的分子的材料，该疏水部分可以响应于电磁辐射(例如，紫外线或可见光)而(例如，向内)改变。

在图6A中，机械响应材料670完全收缩，使得内腔609处于其最宽直径。在图6B中，一些刺激(例如，热、电、光、磁场、声波等)已经被施加到机械响应材料670，以诱发以膨胀形式的第一机械响应。因此，内腔609已经缩小到相对较小的直径(在一些实施例中其可以是完全封闭的)。该收缩继而导致内腔609内的流体672(例如血液、组织液等)从内腔609被清除到如底部箭头所指示的周围组织(未描绘)中。该清除可以用于例如清洁内腔609。额外地或备选地，机械响应材料670的这种膨胀还可以将流体672清除回到基底或衬底(例如，102、302)的一个或多个储存器(例如，104)中，例如，使得可以分析来自新捕获的流体的样本。相反，在图6C中，不再施加刺激(或施加不同的刺激)以在机械响应材料670中诱发第二机械响应。特别地，机械响应材料670现在正在收缩，其如底部箭头所指示的将流体672从周围组织吸入到内腔609中。额外地或备选地，图6C的收缩可以将流体从一个或多个储存器104吸入到内腔609中。

在图6A、图6B和图6C中，施加刺激以诱发机械响应材料670的机械膨胀，并且撤回刺激以诱发机械响应材料670的机械收缩。然而，这并不意味着是限制性的。在一些实施例中，可以施加刺激以引起收缩，并且可以撤回刺激(或施加不同的刺激)以引起膨胀。此外，在一些实施例中，可以分别在微针基底和/或尖端处或附近采用一个或多个阀，例如基底阀674₁和/或远端阀674₂。当机械响应材料670被激活时，这些阀674的(一个或多个)状态(例如，打开或关闭)可以指示流体672流向哪个方向，流入周围组织中还是流入储存器中。在一些实施例中，例如，当机械响应材料670收缩时，可以关闭基底阀674₁，以例如防止从储存器(例如104)到内腔609中的回流。当内腔609被填充有流体并且基底阀674₁被打开时，可以使用其他被动或主动流体传输机制(例如毛细管力)将流体吸入到储存器中。

图7A和图7B(以截面图)描绘了与图6A、图6B和图6C中描绘的实施例类似的备选实施例，除了机械响应材料770被分成(例如通过选择性地将前述刺激中的一个或多个单独施加到片段776)可单独控制的多个片段776(为了简洁和清楚起见，仅指示出其中的两个片段)之外。通过控制不同片段776被刺激以膨胀和/或收缩的计时，可以精细地控制诱发的通过内腔709的流的方向。在一些实施例中，采用多个可单独控制的片段776可以消除对一个或多个阀(例如，图6A、图6B和图6C中的674)的需要，但是也不排除它们的使用。

在图7A中，如箭头所指示的，在操作的各个阶段描绘了相同的微针706。在最左侧，所有片段776都收缩，使得内腔709处于其最宽直径。在从左起第二幅图像中，已经在微针706的基底附近的两个相对的片段776(或单个环形元件)中诱发了以膨胀形式的第一机械响应。这开始从内腔709冲洗流体的过程。移动到右侧，在每幅图像中，越来越多的片段776以类似的方式膨胀，例如，沿着微针的纵轴在从其基底到尖端的方向上顺序地膨胀。因此，在最右侧，所有流体已经从内腔709清除到周围组织(未描绘)中。

图7B描绘了图7A的相反情况。在图7B的最左侧，所有片段776保持膨胀。在从左起第二幅图像中，最远端的片段776已经收缩，开始将流体吸入到内腔709中的过程。移动到右侧，在图7B的每幅图像中，越来越多的片段776以类似的方式收缩，例如，沿着微针的纵轴在从其尖端到基底的方向上顺序地收缩。因此，在最右侧，内腔709充满了流体，然后可以利用例如毛细管力将该流体吸入到储存器(未描绘)中。

图7A和图7B中描绘的膨胀/收缩的序列并不意味着是限制性的。片段776可以相对于其他片段以各种次序和/或在各种时间膨胀/收缩，以便将流体吸入到内腔709中或从该内腔清除流体。在一些实施例中，可以在微针706的一个末端或另一末端(即，在基底处或在尖端处)施加刺激，使得随着刺激的增加(例如，温度增加、电压增加等)，片段开始按顺序膨胀(或收缩)。例如，在一些实施例中，诸如金属或铜的细长导热材料可以沿着微针706的纵轴被放置在片段776内或附近，并且可以在一端(例如，在微针706的基底或尖端处)施加热量。随着细长导热材料从一端加热到另一端，片段可以相应地膨胀或收缩。当然，可以替代地使用其他类型的刺激。

在一些实施例中，在填充阶段(图7B)之后，最靠近微针尖端的片段776可以膨胀，然后以逐步的方式进行下一片段776，在这种情况下是从尖端到基底。该过程将新鲜的分析流体推入例如储存器(例如104)中。在一些实施例中，可以将这种设备馈送过程与填充过程递归级联(在图7B中描绘)，因此产生进入和遍及设备的恒定分析流体流。这可以消除对在微针706内部使用其他流体输送方式的需要，但仍然可以结合片段776的膨胀/收缩来采用其他方式。

在一些实施例中，微针(例如106、306、406、506、606、706)可以被构建为使得存在微针的维度和/或机械响应材料的厚度的逐渐变化。当在微针的长度上存在厚度梯度并且机械响应材料膨胀时，取决于梯度方向，流体可以从内腔中被清除，朝向周围组织或进入储存器中。

图8A和图8B描绘了备选实施例，其中，包括内腔809的微针806被配备有机械响应材料870，该机械响应材料限定一个或多个桨叶(paddle)878(为了清楚起见，仅指定了其中的一个桨叶)，所述一个或多个桨叶从内腔809的内表面延伸到内腔809中。在各个实施例中，一个或多个桨叶878可以可操作以从内腔809清除流体或将流体吸入到该内腔中。例如，在图8A中，多个可独立操作的桨叶878可以以预定序列操作(例如，被诱发以做出机械反应)以将流体吸入到内腔809中。在图8A的最左侧，尚没有桨叶878被操作。在图8A的中间部分，底部桨叶878已经被诱发以做出机械反应来向上摆动(即，朝向微针806的基底)从而开始流动，如向上箭头所指示的。在最右侧，所有桨叶878已经被诱发以做出机械反应，从而增加了流量。在其他实施例中，桨叶878可以以不同的次序(例如反向)操作。

在图8B中，多个可单独操作的桨叶878以预定序列操作(例如，被诱发以做出机械反应)，以从内腔809清除流体。在图8B的最左侧，仅最靠近微针806的基底的两个桨叶878已经被激活，从而发起流体从内腔809的流动。向右移动，越来越多的桨叶878按从微针806的基底到其尖端的顺序被激活，从而增加向外的流量。

在各种实施例中，桨叶878可以完全围绕限定内腔809的内表面延伸，使得每个桨叶在被移除时将显现为环。额外地或备选地，在一些实施例中，每个桨叶可以围绕限定内腔878的内表面不完全延伸，并且每个桨叶878可以具有各种形状，例如桨形、多边形等。在一些实施例中，可以在桨叶878之间，例如在沿着微针806的纵轴的相对位置处的桨叶878之间，建立循环运动，以在一个方向或另一方向上围绕桨叶878产生净牵引力。在一些实施例中，仅桨叶878可以利用机械响应材料870构造，并且桨叶878可以被固定到腔体809的内表面，其由不同的(例如非机械响应)材料(例如可以诱发热量梯度的导热材料)构造。

在图8A和图8B中，在内腔809的相对侧上的桨叶878在平行于微针806的纵轴的方向上彼此偏移，并且延伸不超过跨内腔809的一半。然而，这并不意味着是限制性的。在一些实施例中，成对的桨叶878可以彼此直接跨内腔809定位，和/或可以跨内腔809延伸至少一半。在一些这样的实施例中，相对的桨叶可以同时被致动以操作为可以打开和关闭的阀。

在一些实施例中，可以将柔性衬底添加到桨叶(例如图8A和图8B中的桨叶878)，以使得能够将机械响应材料的横向膨胀转换成可配置的弯曲运动。这种技术可以在冲程、力和致动速度之间提供合理的折中。在图9A、图9B和图9C中描绘了可以如何实现这一点的一个示例。图9A和图9B涉及第一状态，而图9C涉及第二状态。图9A和图9C各自描绘了两个视图，微针906的内腔中的俯视图和自标记为“A”的线的微针906的横截面视图。图9B描绘了自标记为“B”的线的微针906的横截面视图，并以图9A的第一状态描绘。在图9A的顶部图像中，桨叶978的一端连接到微针906的限定内腔909的内壁。桨叶978包括在其中心附近的折叠致动器982和在桨叶978连接到内腔909的壁附近的弯曲致动器984。流体以972表示。

在一些实施例中，弯曲致动器984可以至少部分地利用前述机械响应材料中的一个或多个构造。因此，弯曲致动器984可以是可操作的(例如，被机械地诱发)以使内腔909内的桨叶978向上或向下(例如，上游/下游)弯曲，如图8A-B中所描绘的。结果的弯曲致动例如可以用于以低致动进行泵送。如上所述，在其中成对的桨叶978跨内腔909彼此相对的一些实施例中，弯曲致动可以用于使成对的桨叶978用作阀以密封和打开内腔909(例如以高致动)。

折叠致动器982可以利用机械响应材料构造，该机械响应材料在暴露于本文中描述的各种刺激时会自身折叠，因此其导致桨叶978的叶片部分折叠。在图9C的底部可以最好地看到这种折叠，其中，折叠致动器982和因此桨叶978都被折叠成U形。在一些实施例中，桨叶978可以在桨叶978的撤回阶段中时保持折叠(如图9C中所描绘的)，以允许流体972在其周围流动。一旦桨叶978处于进行下一冲程的位置中，桨叶978就可以展开(如图9A中所描绘的)，因此其将在下一泵送循环中带走流体。

如上所述，在一些实施例中，机械响应材料可以至少部分地利用可激活液晶网络(诸如光激活液晶网络)构造。光可切换表面形貌(例如光激活液晶网络)可以用于产生各种类型的蠕动流体移动，和/或代替仅仅膨胀或收缩，可以用于产生期望的流体通道以控制流体流动和/或流体流速。当光激活液晶网络被适当地布置和正确设计时，它们可以被选择性地激活以例如产生改变微针内部的流体流动的流体流动通道。额外地或备选地，由于可以通过打开/关闭形貌来周期性地移位体积，因此可以设计并使用这种表面来使流体更快地移动通过针。

图10描绘了根据各种实施例的用于实践本公开的选定方面的示例性方法1000。虽然以特定次序示出了方法1000的操作，但这并不意味着是限制性的。一个或多个操作可以被重新排序、省略或添加。在框1002处，可穿戴或可插入设备(例如100、300)可以被放置在患者上(例如，作为贴片或电子纹身)或在患者的组织内部。

在框1004处，可以利用可穿戴或可插入设备收集一个或多个流体样本。在各种实施例中，该收集可以包括向可穿戴或可插入设备的一个或多个微针(例如106、306、406、506、606、706、806、906)的内腔内的机械响应材料(例如670、770、870)施加刺激或从其撤回刺激，以在机械响应材料中诱发第一机械响应(例如，收缩、桨叶878的摆动、微通道的产生)。

在框1006处，可以例如通过图1和图3中的检测模块170和/或测定模块180从收集到的一个或多个流体样本中确定至少一种生物标志物的存在或测量。在框1008处，可以通过向机械响应材料施加刺激或从其撤回刺激以在机械响应材料中诱发第二机械响应(例如，膨胀、桨叶878的摆动、微通道的闭合等)来防止一个或多个微针的堵塞。在框1010处，类似于框210，可以基于至少一种生物标志物的存在或测量来推断生理状况。在一些实施例中，可以在一个或多个输出部件处提供指示推断的输出，一个或多个输出部件例如板载声学设备(例如，以提供蜂鸣声)、配置有本公开的选定方面的智能手表的显示器、无线通信接口(例如，将被传输到患者和/或护理人员的远程计算设备)等等。

虽然本文中已经描述和说明了若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文中描述的功能和/或获得结果和/或一个或多个优点的多种其他手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改被认为在本文中描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易认识到，本文中描述的所有参数、维度、材料和配置旨在为示例性的，并且实际参数、维度、(生物)材料、酶和/或配置将取决于使用本发明教导的一个或多个特定应用。仅通过常规实验，本领域技术人员就将意识到或能够确定本文中描述的具体发明实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践本发明的实施例。本公开的发明实施例涉及本文中描述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。另外，如果这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合被包含于本公开的发明范围内。

虽然分开描述，但是应当理解，本文中描述的任何实施例可以单独使用或与本文中描述的任何(一个或多个)其他实施例组合使用。

如本文中所定义和使用的所有定义应被理解为控制在词典定义、通过引用并入的文档中的定义和/或所定义的术语的普通含义上。

除非明确地给出相反指示，否则如在本文中在说明书和权利要求书中使用的词语“一”和“一个”应当被理解为意指“至少一个”。

如在本文中在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当被理解为意指如此结合的元件中的“任一或两者”，即，在一些情况下结合地存在且在其他情况下分离地存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应以相同的方式解释，即，如此结合的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句明确标识的元件之外，还可以可选地存在其他元件，无论与那些具体标识的元件相关还是无关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以：在一个实施例中仅指A(可选地包括除B以外的元件)；在另一实施例中，仅指B(可选地包括除A以外的元件)；在又一实施例中，指A和B(可选地包括其他元件)；等等。

如在本文中在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应被理解为具有与如以上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应当被解释为包含性的，即包含多个元件或元件列表中的至少一个，而且包括多于一个，并且可选地包括其他未列出的项目。仅明确指出相反的术语，例如“中的仅仅一个”或“中的恰好一个”，或当在权利要求书中使用时，“由......组成”将指的是包括多个元件或元件列表中的恰好一个。一般而言，如本文中所使用的术语“或”在排他性术语(例如“任一”、“中的一个”、“中的仅仅一个”或“中的恰好一个”)之前时仅应被解释为指示排他性备选(即，“一个或另一个而非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由......组成”应具有在专利法领域中所使用的普通含义。

如在本文中在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应被理解为表示从元件列表中的任意一个或多个元件中选择的至少一个元件，但不一定包括元件列表内具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。该定义还允许除了短语“至少一个”所指代的元件列表内具体标识出的元件之外的元件可以可选地存在，无论与那些具体标识出的元件有关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)可以：在一个实施例中指代至少一个A，可选地包括多于一个A，而不存在B(并且可选地包括除B以外的元件)；在另一个实施例中，指代至少一个B，可选地包括多于一个B，而不存在A(并且可选地包括除A以外的元件)；在又一实施例中，指代至少一个A，可选地包括多于一个A，以及至少一个B，可选地包括多于一个B(并且可选地包括其他元件)；等等。

还应理解，除非明确地给出相反指示，否则在本文中要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的次序不必限于该方法的步骤或动作被记载的次序。

在权利要求以及以上说明书中，诸如“包括(comprising)”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“包括(composedof)”等的所有过渡性短语应被理解为开放式的，即意味着包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，仅过渡性短语“由......构成”和“基本上由......构成”应分别是封闭的或半封闭的过渡性短语。应当理解，根据专利合作条约(“PCT”)的条款6.2(b)在权利要求书中使用的某些表达和附图标记不限制范围。

Claims (20)

1.一种可穿戴或可插入医学设备(100、300)，包括：

基底(102)，其限定至少一个储存器(104)；

从所述基底延伸的至少一个微针(106、306、406、506、606、706、806、906)，其中，所述至少一个微针能插入组织(107、307)中并限定将所述至少一个储存器与所述组织流体耦合的内腔(409、509、609、709、809、909)；以及

机械响应材料(670、770、870)，其被设置在所述至少一个微针的内表面上，其中，所述至少一个微针的所述内表面限定所述至少一个微针的所述内腔，并且所述机械响应材料对刺激做出反应以经历一种或多种机械响应。

2.根据权利要求1所述的医学设备，还包括刺激部件(671)，所述刺激部件被选择性地激活以向所述机械响应材料提供所述刺激。

3.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料的所述一种或多种机械响应中的至少一种机械响应从所述至少一个微针的所述内腔清除流体。

4.根据权利要求3所述的医学设备，还包括阀(674)，所述阀被定位在所述机械响应材料与所述至少一个储存器之间。

5.根据权利要求4所述的医学设备，其中，所述阀是可关闭的，使得所述机械响应材料的所述至少一种机械响应将流体从所述内腔清除到所述组织中。

6.根据权利要求4所述的医学设备，其中，所述阀是可打开的，使得所述机械响应材料的所述至少一种机械响应将流体从所述内腔清除到所述至少一个储存器中。

7.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料的所述一种或多种机械响应中的至少一种机械响应将流体吸入到所述至少一个微针的所述内腔中。

8.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述一个或多个机械响应的第一机械响应包括所述机械响应材料的膨胀，并且所述一个或多个机械响应的第二机械响应包括所述机械响应材料的收缩。

9.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料被划分为沿着所述至少一个微针的长度布置的多个单独反应片段(776)，其中，以预定序列对所述多个单独反应片段的刺激使所述单独反应片段根据所述预定序列膨胀以将流体从所述内腔清除或将流体吸入到所述内腔中。

10.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料包括从所述内表面延伸到所述内腔中的一个或多个桨叶(878、978)，其中，所述一个或多个桨叶能够操作以将流体从所述内腔清除或将流体吸入到所述内腔中。

11.根据权利要求10所述的医学设备，其中，所述一个或多个桨叶包括多个可单独操作的桨叶，所述多个可单独操作的桨叶能以预定序列操作以将流体从所述内腔清除或将流体吸入到所述内腔中。

12.根据权利要求10所述的医学设备，其中，所述桨叶中的一个或多个桨叶能操作为阀以选择性地打开和关闭所述内腔。

13.根据权利要求10所述的医学设备，其中，所述一个或多个桨叶中的至少一个给定桨叶包括折叠致动器(982)，所述折叠致动器能够操作以将所述给定桨叶折叠在其自身上。

14.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料能够在其中所述机械响应材料吸引流体的亲水状态与其中所述机械响应材料排斥流体的疏水状态之间转换。

15.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料利用电活性聚合物(“EAP”)或磁流变弹性体(“MRE”)构造。

16.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述机械响应材料利用形状记忆聚合物或利用光激活液晶网络构造。

17.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述刺激包括以下中的一个或多个：热、电、电磁辐射以及一个或多个声波。

18.根据权利要求1所述的医学设备，其中，所述刺激包括磁场。

19.一种推断患者的生理状况的方法(1000)，包括：

将可穿戴或可插入设备放置(1002)在患者上或内；以及

利用所述可穿戴或可插入设备收集(1004)一个或多个流体样本，其中，所述收集包括向所述可穿戴或可插入设备的一个或多个微针的内腔内的机械响应材料施加刺激或从所述机械响应材料撤回刺激，以诱发所述机械响应材料中的第一机械响应。

20.一种可穿戴或可插入医学设备(100、300)，包括：

基底(102、302)，其限定至少一个储存器(104)；

从所述基底延伸的多个微针(106、306、406、506、606、706、806、906)，其中，所述多个微针中的每个微针能插入组织(107、307)中并限定将所述至少一个储存器与所述组织流体耦合的内腔(409、509、609、709、809、909)；

机械响应材料(670、770、870)，其被沉积在所述多个微针的内表面上，其中，所述多个微针的所述内表面限定所述多个微针的所述内腔，并且所述机械响应材料对刺激做出反应；以及

多个刺激部件(671)，其能选择性地操作以向所述多个微针的两个或多个子集的机械响应材料提供所述刺激，其中，所述机械响应材料的第一机械响应将流体从微针的所述两个或更多个子集中的至少一个子集的所述内腔清除，并且所述机械响应材料的第二机械响应将流体吸入所述两个或更多个子集中的至少一个子集的所述内腔中。

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