CN113289237A - 基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，通过按压触控第一微针阵列，使第一微针阵列穿过含生物识别分子的弹性水凝胶，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路的恒流模块，皮肤下的生物标志物在电渗流的作用下被至含生物识别分子的弹性水凝胶中，在生物识别的分子的作用下，生物标志物在Au电极表面由于电化学反应转化为可以被检测模块读取的信号；通过按压触控第二微针阵列，使第二微针阵列穿过含药物的弹性水凝胶，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路的恒流模块，含药物的弹性水凝胶中的药物在浓度梯度以及离子泳的作用下透过微通道进入皮肤中，实现了对人体的闭环监测与按需给药。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，更具体地，涉及一种基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备。
背景技术
带血管化的真皮组织间液包含了各种各样的生物标志物，包括外泌体、细胞、蛋白质和核酸等。由于间质液可以被无创伤、方便的提取出来，近年来在生物医学领域引起了越来越多的关注。研究发现，在细胞和血液之间的间质液所携带的生物标志物与个体的生理状况密切相关，生物标志物在间质液中的浓度与血液浓度的相关性约为1:1，因此提取间质液进行检测能很好的反映被测者的健康状况。
在各种间隙液中标志物的检测方法中，微针由于其微创、安全、高效且不会伤害到毛细血管的特性被广泛的应用于检测。但在微针阵列插入过程中容易受到皮肤组织的机械压缩和摩擦，表面酶层易脱落破坏造成检测的不稳定。离子导入是一种诱导电荷离子流动的有效的方法，同时也能通过电渗流带着一些中性分子移动，目前已经被广泛的应用于药物输送和治疗的医疗实践中了。离子导入作为一种增强方法用于提取所需的间质液成分到皮肤表面时，这一过程常以反向电渗为主导，可以无创性提取葡萄糖和酒精，但提取能力比较有限。
现有的给药方式分为口服给药，注射给药，以及经皮给药。三种给药方式有其独特的优势，但也存在各自的局限性。离子导入是一种经皮给药促渗技术，通过调节电流大小、作用时间等可实现按需给药，但同样受到皮肤角质层作用，无法实现高效给药。近年来，微针阵列经皮给药方式因无痛穿透、成本低、疗效好、相对安全等突出特点，使其具有极大的潜力，引起了科学界的广泛关注。微针阵列按经皮给药方式可分为实心、涂层、可溶解、中空及多孔微针阵列。实心微针阵列可穿刺皮肤形成给药通道，后贴敷给药药贴，步骤繁复；涂层微针阵列和可溶解微针阵列载药量小；多孔/中空微针阵列因存在连续孔给药通道，可实现胰岛素等大分子药物的连续、长效经皮输送，具有独特优势。但多孔/空心微针阵列因其结构复杂、力学强度低、制造工艺繁琐，成本相对高，极大制约其经皮给药应用。诊疗一体化将诊断和治疗相结合，相对于单一的诊断和治疗手段有明显的优势。
发明内容
本发明提供一种具有具有闭环监测与按需给药能力的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，包括触控微针阵列传感器、触控微针阵列药贴、第一弹性水凝胶、智能设备和硬件电路；触控微针阵列传感器、触控微针阵列药贴分别通过性电路连接到硬件电路上，第一弹性水凝胶置于柔性电路下方并与硬件电路连接，触控微针阵列传感器和触控微针阵列药贴贴附到人体皮肤后采集人体信息传递至硬件电路进行分析，智能设备和硬件电路无线连接；硬件电路根据分析结果控制触控微针阵列药贴来完成对人体的给药，分析结果同步传输至智能设备进行曲线显示。
进一步地，所述触控微针阵列传感器包括第一微针阵列、柔性电路、第一防渗圈和含生物识别分子的弹性水凝胶；第一微针阵列连接在柔性电路上，含生物识别分子的弹性水凝胶装在第一防渗圈内，柔性电路盖在第一防渗圈口并使第一微针阵列伸入含生物识别分子的弹性水凝胶内；第一防渗圈底设置有便于第一微针阵列穿出的穿孔；柔性电路与硬件电路连接。
进一步地，所述触控微针阵列药贴包括第二微针阵列、第二防渗圈和含药物的弹性水凝胶；第二微针阵列连接在柔性电路上，含药物的弹性水凝胶装在第二防渗圈内，柔性电路盖在第二防渗圈口并使第二微针阵列伸入含药物的弹性水凝胶内；第二防渗圈底设置有便于第二微针阵列穿出的穿孔；柔性电路与硬件电路连接。
进一步地，所述硬件电路包括电源、微控制器、恒流模块、检测模块以及无线信号传输模块；微控制器均与电源模块、恒流模块、检测模块以及无线信号传输模块连接；恒流模块还与柔性电路连接；检测模块还与柔性电路连接。
进一步地，所述柔性电路包括第一Ag/AgCl电极、第二Ag/AgCl电极、第三Ag/AgCl电极、第四Ag/AgCl电极、Au电极、Pt电极和焊盘；其中第一Ag/AgCl电极、第二Ag/AgCl电极和第三Ag/AgCl电极通过焊盘与硬件电路中的恒流模块相连，第四Ag/AgCl电极、Au电极和Pt电极通过焊盘与硬件电路中的检测模块相连。
进一步地，所述触控微针阵列传感器进行信号采集的过程是：按压触控第一微针阵列，使第一微针阵列穿过含生物识别分子的弹性水凝胶，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路的恒流模块，皮肤下的生物标志物在电渗流的作用下被至含生物识别分子的弹性水凝胶中，在生物识别的分子的作用下，生物标志物在Au电极表面由于电化学反应转化为可以被检测模块读取的信号。
进一步地，整个设备进行给药的过程是：按压触控第二微针阵列，使第二微针阵列穿过含药物的弹性水凝胶，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路的恒流模块，含药物的弹性水凝胶中的药物在浓度梯度以及离子泳的作用下透过微通道进入皮肤中。
优选地，所述第一微针阵列和第二微针阵列是有包括金属、陶瓷、高分子材料、带生物相容性涂层或镀层的复合材料制成的机构；所述无线信号传输模块是蓝牙或wifi模块；所述含生物识别分子的弹性水凝胶中生物识别分子是酶分子，含药物的弹性水凝胶中所含药物是胰岛素。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过按压触控第一微针阵列，使第一微针阵列穿过含生物识别分子的弹性水凝胶，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路的恒流模块，皮肤下的生物标志物在电渗流的作用下被至含生物识别分子的弹性水凝胶中，在生物识别的分子的作用下，生物标志物在Au电极表面由于电化学反应转化为可以被检测模块读取的信号；通过按压触控第二微针阵列，使第二微针阵列穿过含药物的弹性水凝胶，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路的恒流模块，含药物的弹性水凝胶中的药物在浓度梯度以及离子泳的作用下透过微通道进入皮肤中，实现了对人体的闭环监测与按需给药。
附图说明
图1为本发明设备结构图；
图2为本发明中触控微针阵列传感器、触控微针阵列药贴、第一弹性水凝胶的结构图；
图3为本发明中柔性电路的结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1-2所示，一种基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，包括触控微针阵列传感器1、触控微针阵列药贴2、第一弹性水凝胶3、智能设备4和硬件电路5；触控微针阵列传感器1、触控微针阵列药贴2分别通过性电路6连接到硬件电路5上，第一弹性水凝胶3置于柔性电路6下方并与硬件电路5连接，触控微针阵列传感器1和触控微针阵列药贴2贴附到人体皮肤后采集人体信息传递至硬件电路5进行分析，智能设备4和硬件电路5无线连接；硬件电路5根据分析结果控制触控微针阵列药贴2来完成对人体的给药，分析结果同步传输至智能设备4进行曲线显示。
触控微针阵列传感器1包括第一微针阵列1-1、柔性电路6、第一防渗圈1-3和含生物识别分子的弹性水凝胶7；第一微针阵列1-1连接在柔性电路6上，含生物识别分子的弹性水凝胶7装在第一防渗圈1-3内，柔性电路6盖在第一防渗圈1-3口并使第一微针阵列1-1伸入含生物识别分子的弹性水凝胶7内；第一防渗圈1-3底设置有便于第一微针阵列1-1穿出的穿孔1-5；柔性电路6与硬件电路5连接。
触控微针阵列药贴2包括第二微针阵列2-1、第二防渗圈2-3和含药物的弹性水凝胶8；第二微针阵列2-1连接在柔性电路6上，含药物的弹性水凝胶8装在第二防渗圈2-3内，柔性电路6盖在第二防渗圈2-3口并使第二微针阵列2-1伸入含药物的弹性水凝胶8内；第二防渗圈2-3底设置有便于第二微针阵列2-1穿出的穿孔2-5；柔性电路6与硬件电路5连接。
硬件电路5包括电源5-1、微控制器5-2、恒流模块5-3、检测模块5-4以及无线信号传输模块5-5；微控制器5-2均与电源模块5-1、恒流模块5-3、检测模块5-4以及无线信号传输模块5-5连接；恒流模块5-3还与柔性电路6和连接；检测模块5-4还与性电路6连接。
如图3所示，柔性电路6包括第一Ag/AgCl电极6-1、第二Ag/AgCl电极6-2、第三Ag/AgCl电极6-3、第四Ag/AgCl电极6-4、Au电极6-5、Pt电极6-6和焊盘6-7；其中第一Ag/AgCl电极6-1、第二Ag/AgCl电极6-2和第三Ag/AgCl电极6-3通过焊盘6-7与硬件电路5中的恒流模块5-3相连，第四Ag/AgCl电极6-4、Au电极6-5和Pt电极6-6通过焊盘6-7与硬件电路5中的检测模块5-4相连。
触控微针阵列传感器1进行信号采集的过程是：按压触控第一微针阵列1-1，使第一微针阵列1-1穿过含生物识别分子的弹性水凝胶7，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路5的恒流模块5-3，皮肤下的生物标志物在电渗流的作用下被至含生物识别分子的弹性水凝胶7中，在生物识别的分子的作用下，生物标志物在Au电极6-5表面由于电化学反应转化为可以被检测模块5-4读取的信号。
整个设备进行给药的过程是：按压触控第二微针阵列2-1，使第二微针阵列2-1穿过含药物的弹性水凝胶8，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路5的恒流模块5-3，含药物的弹性水凝胶8中的药物在浓度梯度以及离子泳的作用下透过微通道进入皮肤中。
第一微针阵列1-1和第二微针阵列2-1是有包括金属、陶瓷、高分子材料、带生物相容性涂层或镀层的复合材料制成的机构，由线切割加工而成，为了增加微针阵列的生物相容性，减小炎症反应，将该线切割金属微针表面溅射一层生物相容性较好的金属材料；本实施例中所使用的微针阵列材料为不锈钢，其表面溅射一层金增加生物相容性。
无线信号传输模块5-5是进场通信、蓝牙或wifi模块。
含生物识别分子的弹性水凝胶7中生物识别分子是酶分子，采用物理吸附的方法将生物识别分子渗透到水凝胶网络中。具体步骤为：将琼脂糖与去离子水以质量比为2:100混合后，加热至80℃溶解，将澄清溶液倒在柔性电极4上，覆盖反电渗阴极和检测电极，冷却后成胶。在水凝胶5表面滴注酶溶液，放在4℃的环境中直至干燥。本实施例中所选用的酶分子为24mg/ml的葡萄糖氧化酶150μL。
含药物的弹性水凝胶8中所含药物是胰岛素，采用物理吸附的方法将药物渗透到水凝胶网络中。
无线信号传输模块5-5是进场通信、蓝牙或wifi模块，无线信号传输模块5-5接收智能设备4中的APP发出的命令后，微控制器5-2控制恒流模块5-3提供恒定微电流，驱动反电渗；电渗后，在检测模块5-4检测到相应的电信号变化，经微控制器5-2处理后通过无线信号传输模块5-5将检测数据传输给智能设备4中的APP显示，经程序判断来提醒使用者进行按压给药并将给药部分恒流模块5-3打开指令传输给硬件电路5。
智能设备4用于接收、处理、显示、存储和共享检测结果，使用者通过智能设备4上的APP界面设定选定检测模式，设置参数，发出检测命令，待所述集成硬件接口电路的电化学传感器获得检测电信号后，读出电信号数据无线传输至APP，进行显示并存储，所述智能设备4包括手机，智能手环，平板等便携式显示设备。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，包括触控微针阵列传感器(1)、触控微针阵列药贴(2)、第一弹性水凝胶(3)、智能设备(4)和硬件电路(5)；触控微针阵列传感器(1)、触控微针阵列药贴(2)分别通过性电路(6)连接到硬件电路(5)上，第一弹性水凝胶(3)置于柔性电路(6)下方并与硬件电路(5)连接，触控微针阵列传感器(1)和触控微针阵列药贴(2)贴附到人体皮肤后采集人体信息传递至硬件电路(5)进行分析，智能设备(4)和硬件电路(5)无线连接；硬件电路(5)根据分析结果控制触控微针阵列药贴(2)来完成对人体的给药，分析结果同步传输至智能设备(4)进行曲线显示。
2.根据权利要求1所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述触控微针阵列传感器(1)包括第一微针阵列(1-1)、柔性电路(6)、第一防渗圈(1-3)和含生物识别分子的弹性水凝胶(7)；第一微针阵列(1-1)连接在柔性电路(6)上，含生物识别分子的弹性水凝胶(7)装在第一防渗圈(1-3)内，柔性电路(6)盖在第一防渗圈(1-3)口并使第一微针阵列(1-1)伸入含生物识别分子的弹性水凝胶(7)内；第一防渗圈(1-3)底设置有便于第一微针阵列(1-1)穿出的穿孔(1-5)；柔性电路(6)与硬件电路(5)连接。
3.根据权利要求2所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述触控微针阵列药贴(2)包括第二微针阵列(2-1)、第二防渗圈(2-3)和含药物的弹性水凝胶(8)；第二微针阵列(2-1)连接在柔性电路(6)上，含药物的弹性水凝胶(8)装在第二防渗圈(2-3)内，柔性电路(6)盖在第二防渗圈(2-3)口并使第二微针阵列(2-1)伸入含药物的弹性水凝胶(8)内；第二防渗圈(2-3)底设置有便于第二微针阵列(2-1)穿出的穿孔(2-5)；柔性电路(6)与硬件电路(5)连接。
4.根据权利要求3所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述硬件电路(5)包括电源(5-1)、微控制器(5-2)、恒流模块(5-3)、检测模块(5-4)以及无线信号传输模块(5-5)；微控制器(5-2)均与电源模块(5-1)、恒流模块(5-3)、检测模块(5-4)以及无线信号传输模块(5-5)连接；恒流模块(5-3)还与柔性电路(6)连接；检测模块(5-4)还与柔性电路(6)连接。
5.根据权利要求4所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述柔性电路(6)包括第一Ag/AgCl电极(6-1)、第二Ag/AgCl电极(6-2)、第三Ag/AgCl电极(6-3)、第四Ag/AgCl电极(6-4)Au电极(6-5)、Pt电极(6-6)和焊盘(6-7)；其中第一Ag/AgCl电极(6-1)、第二Ag/AgCl电极(6-2)和第三Ag/AgCl电极(6-3)通过焊盘(6-7)与硬件电路(5)中的恒流模块(5-3)相连，第四Ag/AgCl电极(6-4)、Au电极(6-5)和Pt电极(6-6)通过焊盘(6-7)与硬件电路(5)中的检测模块(5-4)相连。
6.根据权利要求5所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述触控微针阵列传感器(1)进行信号采集的过程是：按压触控第一微针阵列(1-1)，使第一微针阵列(1-1)穿过含生物识别分子的弹性水凝胶(7)，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路(5)的恒流模块(5-3)，皮肤下的生物标志物在电渗流的作用下被至含生物识别分子的弹性水凝胶(7)中，在生物识别的分子的作用下，生物标志物在Au电极(6-5)表面由于电化学反应转化为可以被检测模块(5-4)读取的信号。
7.根据权利要求6所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，整个设备进行给药的过程是：按压触控第二微针阵列(2-1)，使第二微针阵列(2-1)穿过含药物的弹性水凝胶(8)，扎入皮肤，在皮肤上形成细密的微通道；打开硬件电路(5)的恒流模块(5-3)，含药物的弹性水凝胶(8)中的药物在浓度梯度以及离子泳的作用下透过微通道进入皮肤中。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述第一微针阵列(1-1)和第二微针阵列(2-1)是有包括金属、陶瓷、高分子材料、带生物相容性涂层或镀层的复合材料制成的机构。
9.根据权利要求7所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述无线信号传输模块(5-5)是蓝牙或wifi模块。
10.根据权利要求9所述的基于离子导入驱动的触控微针阵列诊疗一体化可穿戴设备，其特征在于，所述含生物识别分子的弹性水凝胶(7)中生物识别分子是酶分子，含药物的弹性水凝胶(8)中所含药物是胰岛素。
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