JP2009518113A - Flexible device and method for monitoring and delivery - Google Patents

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Abstract

本発明は、全般に、柔軟で構成可能な小システムに共同設置するシステム及び方法、並びに生体から得られる生体組織又は物質において実施される多層基板サンプリング、迅速な分析、生物試料保存、及び送達の機能に関する。サンプリングの種類には、化学的、生化学的、生物学的、熱的、機械的、電気的、磁気的、且つ光学的なサンプリングが含まれてもよい。一般に、サンプリング点で実施される分析は、採取された試料を測定し、その値を記録する。生物試料保存機能は、該システムによる生体上での又は独立した分析システムによる遠隔地での後続の検査又は分析のために、検体の小試料をカプセル化し、それを保存する。保存されると、試料は、正確なサンプリング時間における生物学的状態の記録を提供することができる。サンプリング点での送達は、化学的、生化学的、生物学的、熱的、機械的、電気的、磁気的、且つ光学的な刺激を含み得る。The present invention generally relates to systems and methods for co-location in a small system that is flexible and configurable, as well as multi-layered substrate sampling, rapid analysis, biological sample storage, and delivery performed on biological tissue or material obtained from a living body. Regarding functions. Sampling types may include chemical, biochemical, biological, thermal, mechanical, electrical, magnetic, and optical sampling. In general, analysis performed at a sampling point measures a sample taken and records the value. The biological sample storage function encapsulates a small sample of the specimen and stores it for subsequent inspection or analysis in vivo by the system or remotely by an independent analysis system. When stored, the sample can provide a record of the biological state at the correct sampling time. Delivery at the sampling point may include chemical, biochemical, biological, thermal, mechanical, electrical, magnetic, and optical stimuli.

Description

関連出願への相互参照
この出願は、2005年12月9日に出願された国際特許出願第PCT/US2005/044287号、表題“Apparatus and Method for Continuous Real−Time Trace Biomolecular Sampling,Analysis and Delivery”(これは、米国仮特許出願第60/634,783号、表題“Systems and Methods for Monitoring Health and Delivering Drugs Transdermally”からの優先権を主張する)に関し、かつこの優先権を主張する(これらの全体の内容が、両方とも参考として本明細書に援用される)。
Cross-reference to related applications This application is based on International Patent Application No. PCT / US2005 / 044287, filed Dec. 9, 2005, entitled “Apparatus and Method for Continuous Real-Time Trace Biomolecular Sampling, Analysis”. This claims and claims this priority from US Provisional Patent Application No. 60 / 634,783, entitled “Systems and Methods for Monitoring Health and Delivering Drugs Transdermally”. The contents of which are both incorporated herein by reference).

発明の分野
本発明は、可搬式の生化学的監視及び生体分子的監視、遠隔診断、及び接続された医療の分野に関する。更に詳細には、本発明は、構成可能で柔軟な個人の健康状態の監視及び材料送達システムのための方法、装置、及びシステムに関する。
The present invention relates to the fields of portable biochemical and biomolecular monitoring, remote diagnostics, and connected medicine. More particularly, the present invention relates to a method, apparatus and system for a configurable and flexible personal health monitoring and material delivery system.

発明の背景
体液の非侵襲的経皮的サンプリングは、長きに亘り医学研究の1つの目標となっている。この目標を達成しようする先行技術が、例えば、その内容が本明細書により参照により援用されている、「Systems and Methods for Monitoring Health and Delivering Drugs Transdermally」という名称の、Currieらに対する2005年5月3日発行の特許文献1に記載されている。
Background of the Invention Non-invasive transcutaneous sampling of bodily fluids has long been a goal of medical research. Prior art attempting to achieve this goal is described, for example, by Currie et al., May 3, 2005, entitled "Systems and Methods for Monitoring Health and Delivering Drugs Transdermally," the contents of which are hereby incorporated by reference. It is described in Japanese Patent Application Publication No. JP-A-2001-26853.

経皮的サンプリングにおける先行の試みは、通常、表皮の最外層即ち角質層に比較的大きな孔を作ることを特徴としている。角質層は、事実上皮膚の表面であり、主に、核のない死細胞で構成されている。孔は、通常、熱アブレーション若しくはレーザ・アブレーション又は細針を用いる穿刺により作られ、下層の生存表皮まで達する。生存表皮からの間質液、又は血管系末端からの体液は、次いで、通常、皮下から経皮デバイス内へ吸い上げられるか又は搾り取られ、経皮デバイスでは、微細加工チャネル及び光誘導のシステムを使用して分光学的に分析される。   Prior attempts at percutaneous sampling are usually characterized by making relatively large pores in the outermost or stratum corneum of the epidermis. The stratum corneum is effectively the surface of the skin and is mainly composed of dead cells without nuclei. The hole is usually made by thermal or laser ablation or puncture using a fine needle and reaches the underlying living epidermis. Interstitial fluid from the living epidermis, or bodily fluid from the end of the vasculature, is then typically drawn or squeezed from the subcutaneous into the transdermal device, where the transdermal device uses a microfabricated channel and a light-guided system And analyzed spectroscopically.

そのようなシステムは、通常、孔の大きさが局所刺激を生じるのに十分な約数十ミクロンであるということを含む、多くの欠点を有する。このことにより炎症が起こることが多く、それにより、通常、数時間から数日より長い間チャネルが開いたままになることを阻止する。   Such systems usually have a number of drawbacks, including that the pore size is about tens of microns, sufficient to produce local irritation. This often causes inflammation, which normally prevents the channel from remaining open for hours to days or longer.

更に、複雑なシステムの微細加工は、通常、シリコン基板の使用を必要とする。シリコン基板は比較的非可撓性であり、それにより、近接した表面接触を困難にし、経皮検出器と角質層を貫通する孔との間の横方向の動きをもたらす。通常は直径数十ミクロンである経皮孔の大きさの故に、僅かな横方向の動きであっても、そのようなデバイスを動作不能にする可能性がある。   Furthermore, microfabrication of complex systems usually requires the use of a silicon substrate. Silicon substrates are relatively inflexible, thereby making close surface contact difficult and providing lateral movement between the percutaneous detector and the hole through the stratum corneum. Because of the size of the percutaneous hole, which is typically a few tens of microns in diameter, even a slight lateral movement can render such a device inoperable.

更により広範な用途に使用されるように構成されてもよい、構成可能で柔軟な個人の健康状態の監視及び送達システム提供することが望ましい。また、経皮的サンプリング及び非経皮的サンプリングを含む、侵襲的、低侵襲的、且つ非侵襲的手続きにおいて使用されてもよいサンプリング・デバイスを提供することが望ましい。
米国特許第6,887,202号明細書
It would be desirable to provide a configurable and flexible personal health monitoring and delivery system that may be configured for use in a wider range of applications. It would also be desirable to provide a sampling device that may be used in invasive, minimally invasive, and non-invasive procedures, including transcutaneous and non-transcutaneous sampling.
US Pat. No. 6,887,202

要旨
本発明は、全般的に、柔軟で構成可能な小システムに共同に設置するシステム及び方法、並びに生体から得られる生体組織又は物質において実施される多層基板サンプリング、迅速な分析、生物試料保存、及び送達の機能に関する。以下に記載されている複数の応用領域では、サンプリングの種類には、化学的、生化学的、生物学的、熱的、機械的、電気的、磁気的、且つ光学的なサンプリングが含まれてもよい。一般に、サンプリング点で実施される分析は、採取された試料を測定し、その値を記録する。生物試料保存機能は、該システムによる生体上での又は独立した分析システムによる遠隔地での後続の検査又は分析のために、検体の小試料をカプセル化し、それを保存する。保存されると、試料は、正確なサンプリング時間における生物学的状態の記録を提供することができる。サンプリング点での送達は、化学的、生化学的、生物学的、熱的、機械的、電気的、磁気的、且つ光学的な刺激を含み得る。
SUMMARY The present invention generally relates to systems and methods for co-installation in a flexible and configurable small system, as well as multilayer substrate sampling, rapid analysis, biological sample storage, performed on biological tissue or material obtained from a living body, And the function of delivery. In several application areas described below, the types of sampling include chemical, biochemical, biological, thermal, mechanical, electrical, magnetic, and optical sampling. Also good. In general, analysis performed at a sampling point measures a sample collected and records the value. The biological sample storage function encapsulates a small sample of the specimen and stores it for subsequent inspection or analysis in vivo by the system or remotely by an independent analysis system. When stored, the sample can provide a record of the biological state at the correct sampling time. Delivery at the sampling point may include chemical, biochemical, biological, thermal, mechanical, electrical, magnetic, and optical stimuli.

測定の結果は、サンプリング時点の定量スナップショット及び測定される組織又は監視される生体の健康状態の測定値を提供してもよい。正常な生物医学的範囲に入らない値が測定された場合、予測される疾病状態を報告することができ、診療を行なって生体をその健康な状態まで回復させてもよい。   The result of the measurement may provide a quantitative snapshot at the time of sampling and a measure of the health of the tissue being measured or the organism being monitored. If a value is measured that does not fall within the normal biomedical range, the predicted disease state can be reported and a medical practice may be performed to restore the organism to its healthy state.

監視は生物学的過程の定期的測定活動(例えば、生理的、生化学的、又は代謝的な)として広く定義されており、入力された生物学機能が正常で機能を果たす健康な区域内にある範囲を定めようと試み、その結果、検出される欠如に対して時宜を得た是正処置を行うことができるようにする。評価は、測定結果がそれにより分析され、個人及び集団の標準に対して明確に判定される過程である。同様に、人の生物学的環境(空気、食物、水、薬物、温度等)、動物の組織又は生体を、生物学的過程に対するその入力に関して監視することができる。本システムがそれに関して構成されている監視の種類の例には、安全のための生物学的環境及び化学的環境の監視、個人の健康基準行動を発見し維持するための監視、早期疾病発見に関する監視、二次的影響(疾病の負担)を含む疾病の増悪に関する監視、投薬を含む医学的介入、治療効果の監視、治療遵守の監視、及び/又は再発可能性の監視が含まれる。   Monitoring is broadly defined as a periodic measurement activity of a biological process (eg, physiological, biochemical, or metabolic) and within a healthy area where the entered biological function is normal and functioning. Attempts to define a range so that timely corrective action can be taken against detected defects. Evaluation is the process by which measurement results are analyzed and clearly determined against individual and population standards. Similarly, a person's biological environment (air, food, water, drugs, temperature, etc.), animal tissue or organism can be monitored for its input to a biological process. Examples of the types of monitoring with which the system is configured include biological and chemical monitoring for safety, monitoring to detect and maintain personal health behaviors, and early disease detection This includes monitoring for disease exacerbations, including secondary effects (disease burden), medical interventions including medication, monitoring therapeutic effects, monitoring treatment compliance, and / or monitoring for the likelihood of recurrence.

これらの状況における監視は、短時間又は長期間のどちらかとすることができる。所望の準備された又は制御された一時に、単一の測定のみが行なわれてもよい。反復される測定の時間尺度は、数分から数週まで、又は1時間超えから数十時間超えまで、可変であってもよい。生化学濃度尺度は、微量1pg/dlから高濃度1g/dlまで、又は12桁を超えて変化してもよい。   Monitoring in these situations can be either short-term or long-term. Only a single measurement may be performed at the desired prepared or controlled time. The time scale for repeated measurements may be variable from minutes to weeks, or from more than one hour to more than tens of hours. The biochemical concentration scale may vary from trace 1 pg / dl to high concentrations 1 g / dl, or over 12 orders of magnitude.

システムの使い捨てのサンプリング部品は、監視される組織の形状を取るように且つそれに接着するように変形させるために機械的に柔軟であってもよく、構造的且つ機能的な膜の複数の薄層でできていてもよい。以下に記載するように、得られる接触は低侵入的であり、即ち組織の生存機能を妨害しないか、又はその存在により測定標的を混乱させない。同様に、柔軟なサンプリング部品は、生体液及び生物学的試料又は化学的試料の分析のために、適切な筐体内に嵌め込むことができる。センサは、頬、歯肉、鼻、咽喉、洞、耳、及び目の組織などの異なるサンプリング部位に取り付けられてもよい。各位置は、特有のサンプリング特性を示す可能性がある。例えば、目及び内耳は、血液脳関門の内側にある中央神経系へのアクセスを許す。   The disposable sampling component of the system may be mechanically flexible to deform to adhere to and adhere to the tissue to be monitored, multiple thin layers of structural and functional membranes It may be made of. As described below, the resulting contact is minimally invasive, i.e. does not interfere with the survival function of the tissue or does not disrupt the measurement target due to its presence. Similarly, a flexible sampling component can be fitted into a suitable housing for analysis of biological fluids and biological or chemical samples. Sensors may be attached to different sampling sites such as cheeks, gingiva, nose, throat, sinus, ear, and eye tissue. Each location may exhibit unique sampling characteristics. For example, the eyes and inner ear allow access to the central nervous system inside the blood brain barrier.

システム及びその構成要素は、生体上でのサンプリングの位置決め、測定標的の数及び種類、並びに個々の測定の頻度、冗長性、記録及び報告に応じて構成可能である。構成の種類は、次のように分類することができる。測定標的の同定;測定標的の大きさ;試料の位置;非侵襲的、低侵襲的、又は侵襲的などの試料機構のタイプ;採取される試料の種類;試料の保存;試料の修飾;及び単一測定標的の判定数。更に、構成の詳細は、健康状態の監視の目的に合わせるために、経時的に変更される。   The system and its components can be configured depending on the location of the sampling on the organism, the number and type of measurement targets, and the frequency, redundancy, recording and reporting of individual measurements. The types of configuration can be classified as follows. Measurement target identification; measurement target size; sample location; type of sample mechanism, whether non-invasive, minimally invasive or invasive; type of sample collected; sample storage; sample modification; Number of judgments for one measurement target. Furthermore, the details of the configuration may change over time to suit the purpose of health monitoring.

以下に更に詳細に記載されるシステムは、次のものを含むがそれらに限定されない広範な応用領域に使用されてもよい。糖尿病の監視及び治療;出血性ショック、外傷、熱傷等を含む蘇生医学;小児黄疸の発見及び治療;スタミナ、身体動作、疲労、及び覚醒の監視;組織生存能力の試験;組織生検の実施;癌及び感染症などの疾病の早期発見並びにそのような疾病の治療に対する応答;細菌、ウィルス、微生物膜、炎症、及び齲蝕などの歯周病の発見及び治療、並びに健康全体を評価するための正常なホルモン、たんぱく質、及び代謝産物;肥満、食事、運動、及び体重、並びに身体組成管理全体の監視;心臓機能及び血管機能並びに卒中の監視;薬剤の発見及び開発スクリーニング;薬剤の薬物動態学、個人投薬、有効性、安全性、毒性、二次的影響、干渉研究及び薬理学的研究、並びに臨床試験;インフルエンザ、マラリア、及びデング熱を含むがそれらに限定されない感染症の発見及び治療;人工装具の制御及び治療応答などのための短期及び長期のインターフェースに関する神経インターフェース;抑うつ、不安、多発性硬化症などの神経疾患の監視;動物、作物、水、食料供給等の監視;喫煙、飲酒、麻酔剤などの物質並びに薬剤の使用及び乱用の監視;抗凝血剤などの薬剤を投与する病院。更に、システムを生物医学器具類と併せて使用してもよく、放射線、化学療法、運動、透析、人工呼吸器、組織及び器官の支持システムに関する治療効果の直結フィードバックを提供してもよい。システムはまた、術前及び術後の両方に、除去されることになる組織及び移植されることになる組織の生存能力及び機能性に関する移植組織監視のために使用されてもよい。   The system described in more detail below may be used in a wide range of application areas including, but not limited to: Diabetes monitoring and treatment; Resuscitation medicine including hemorrhagic shock, trauma, burns, etc .; Discovery and treatment of pediatric jaundice; Monitoring stamina, physical activity, fatigue, and arousal; Testing tissue viability; Performing tissue biopsy; Early detection of diseases such as cancer and infectious diseases and response to treatment of such diseases; detection and treatment of periodontal diseases such as bacteria, viruses, microbial membranes, inflammation and caries, and normal to assess overall health Hormones, proteins, and metabolites; monitoring obesity, diet, exercise, and weight, and overall body composition management; monitoring cardiac and vascular functions and stroke; drug discovery and development screening; drug pharmacokinetics, individuals Medication, efficacy, safety, toxicity, secondary effects, interference and pharmacological studies, and clinical trials; including influenza, malaria, and dengue Discovery and treatment of non-limiting infections; neural interfaces for short- and long-term interfaces for prosthetic control and therapeutic response, etc .; monitoring of neurological diseases such as depression, anxiety, multiple sclerosis; animals, crops, water, Monitoring of food supply, etc .; Monitoring of the use and abuse of substances and drugs such as smoking, drinking and anesthetics; Hospitals that administer drugs such as anticoagulants. In addition, the system may be used in conjunction with biomedical instruments and may provide direct feedback of therapeutic effects on radiation, chemotherapy, exercise, dialysis, ventilators, tissue and organ support systems. The system may also be used for transplant tissue monitoring for the viability and functionality of the tissue to be removed and the tissue to be transplanted, both pre- and post-operatively.

対象の生物学的状態を監視する方法を提供することは、本発明の一態様である。ある実施形態では、該方法には、サンプリング、分析及び送達デバイスのセンサを標的生体分子を含む物質に曝露し、センサに電気信号を供給する工程と、電気信号に応答してセンサにおいて電気特性を測定する工程と、測定された電気特性を生物学的状態と関連付ける工程と、測定された生物学的状態が正常であるかまたは異常であるかを判定する工程と、測定された生物学的状態が異常である場合に信号を生成する工程と、が含まれる。   It is an aspect of the present invention to provide a method for monitoring a biological state of a subject. In one embodiment, the method includes exposing a sensor of a sampling, analysis and delivery device to a substance containing a target biomolecule and providing an electrical signal to the sensor; Measuring, correlating the measured electrical property with the biological state, determining whether the measured biological state is normal or abnormal, and the measured biological state Generating a signal if is abnormal.

ある実施形態では、標的生体分子は、グルコース、乳酸塩、ビリルビン、エタノール、ピルビン酸塩、及びシトクロムP−450 2A6酵素からなる群から選択される。   In certain embodiments, the target biomolecule is selected from the group consisting of glucose, lactate, bilirubin, ethanol, pyruvate, and cytochrome P-450 2A6 enzyme.

ある実施形態では、標的生体分子は、グリコシル化ヘモグロビン及びグリコシル化タンパク質、インスリン、コレステロール、C反応性タンパク質、ホモシステイン、オレキシン、P. falciparumのヒスチジンリッチ・タンパク質2、寄生生物の乳酸デヒドロゲナーゼ、前立腺特異的抗原、前立腺膜特異的抗原、エストロゲン、上皮成長因子、インスリン成長因子、血球凝集素、ノイラドミニダーゼ(Neuradminidase)、開裂したカスパーゼ−3の17kDaサブユニット、p54様のタンパク質、免疫グロブリン、麻酔剤、レプチン、グレリン、ビタミン、葉酸、クレアチン・キナーゼ(CK及びCK−MB)、トロポニン、C反応性タンパク質、腫瘍壊死因子受容体1及び2、クレアチン・ホスホキナーゼ(CK及びCK−MB)、クレアチニン、トロポニン、インターロイキン1、2及び6、インターロイキン−2レセプト(receptot)、腫瘍壊死因子−アルファ、n−ニトロソアミン、ニコチン、コチニン、アヘン剤、コカイン、及び胞子代謝産物からなる群から選択される。   In certain embodiments, the target biomolecules are glycosylated hemoglobin and glycosylated protein, insulin, cholesterol, C-reactive protein, homocysteine, orexin, P. aureus. falciparum histidine-rich protein 2, parasite lactate dehydrogenase, prostate specific antigen, prostate membrane specific antigen, estrogen, epidermal growth factor, insulin growth factor, hemagglutinin, neuroadminidase, cleaved caspase 3 17 kDa subunits, p54-like proteins, immunoglobulins, anesthetics, leptin, ghrelin, vitamins, folic acid, creatine kinase (CK and CK-MB), troponin, C-reactive protein, tumor necrosis factor receptor 1 and 2, creatine phosphokinase (CK and CK-MB), creatinine, troponin, interleukins 1, 2 and 6, interleukin-2 receptor, tumor necrosis factor-alpha, n-nitrosami , Nicotine, cotinine, opiates, chosen cocaine, and from the group consisting of spore metabolites.

ある実施形態では、標的生体分子は、インフルエンザ・ウィルス、複数の硬化症ウィルス(multiple sclerosis viruse)、デング熱、マラリア、HIV、及び結核からなる群から選択される。   In certain embodiments, the target biomolecule is selected from the group consisting of influenza virus, multiple sclerosis virus, dengue fever, malaria, HIV, and tuberculosis.

生体分子監視の方法を提供することが本発明の別の態様である。ある実施形態では、方法は、生化学物質を含む物質をサンプリングする工程と、一対の電極を用いて物質を分析する工程とを含む。該一対の電極は、支持基板上に配置されている。該方法はまた、サンプリングする工程及び分析する工程をコントローラで制御する工程と、コントローラと遠隔デバイスとの間で情報を伝達する工程と、を含む。   It is another aspect of the present invention to provide a method for biomolecule monitoring. In certain embodiments, the method includes sampling a substance that includes a biochemical substance and analyzing the substance using a pair of electrodes. The pair of electrodes are disposed on a support substrate. The method also includes controlling the sampling and analyzing steps with a controller and communicating information between the controller and the remote device.

少なくとも1つの生化学物質をサンプリングし、分析し、且つ/又は送達するシステムを提供することが、本発明の一態様である。ある実施形態では、システムは、支持基板、及び支持基板により支持されており且つ複数の列及び複数の行に配列されている複数のセルを含む。複数のセルの各々は、生化学物質をサンプリングし、分析し、且つ/又は送達するように構成されている。システムはまた、当該生化学物質に関連する物質を有する複数のセルの各々の相互作用を制御するように構成されているコントローラを含む。コントローラは、複数の列アドレス導電性パス、複数の行アドレス導電性パス、及び複数のゼロ挿入力コネクタ(zero-insertion force connector)を介して複数のセルに接続されている。システムは、更に、コントローラ及び外部デバイスと通信するように構成されている通信デバイスを含む。   It is an aspect of the present invention to provide a system for sampling, analyzing and / or delivering at least one biochemical. In some embodiments, the system includes a support substrate and a plurality of cells supported by the support substrate and arranged in a plurality of columns and a plurality of rows. Each of the plurality of cells is configured to sample, analyze, and / or deliver biochemicals. The system also includes a controller configured to control the interaction of each of the plurality of cells having materials related to the biochemical material. The controller is connected to the plurality of cells via a plurality of column address conductive paths, a plurality of row address conductive paths, and a plurality of zero-insertion force connectors. The system further includes a communication device configured to communicate with the controller and the external device.

物質の特性を分析するシステムを提供することが、本発明の別の態様である。ある実施形態では、システムは、支持基板、及び支持基板に支持されている複数のセンサを含む。各センサは、基板により支持されている一対の電極を含む。該一対の電極は、作用電極及び照合電極を含む。作用電極は電気化学的に活性化され、物質に反応するように構成されている。電圧が電極を横切って印加され、且つ少なくとも作用電極が物質に曝露された場合、物質の特性に対応する電気特性が生成される。システムはまた、電極に対する一連の電気信号を制御し、生成される電気特性を受容するコントローラを含む。   It is another aspect of the present invention to provide a system for analyzing material properties. In some embodiments, the system includes a support substrate and a plurality of sensors supported on the support substrate. Each sensor includes a pair of electrodes supported by a substrate. The pair of electrodes includes a working electrode and a verification electrode. The working electrode is electrochemically activated and configured to react to the material. When a voltage is applied across the electrode and at least the working electrode is exposed to the material, an electrical property corresponding to the property of the material is generated. The system also includes a controller that controls a series of electrical signals to the electrodes and receives the generated electrical characteristics.

生体分子を含む物質の特性を感知するセンサを提供することが、本発明の更なる態様である。ある実施形態では、センサは、基板により支持されている一対の電極を含む。該一対の電極は、作用電極及び照合電極を含む。作用電極は電気化学的に活性化され、物質に反応するように構成されている。電圧が電極を横切って印加され、且つ少なくとも作用電極が物質に曝露された場合、物質の特性に対応する電気特性が生成される。   It is a further aspect of the present invention to provide a sensor that senses the properties of substances including biomolecules. In some embodiments, the sensor includes a pair of electrodes supported by a substrate. The pair of electrodes includes a working electrode and a verification electrode. The working electrode is electrochemically activated and configured to react to the material. When a voltage is applied across the electrode and at least the working electrode is exposed to the material, an electrical property corresponding to the property of the material is generated.

生化学物質を含む物質をサンプリングするサンプリング・デバイスを提供することが、本発明の更に別の態様である。ある実施形態では、サンプリング・デバイスは、支持基板、及び基板により支持されている一対の電極を含む。該一対の電極は、支持基板と物質との間に配置されている保護膜を断裂するように構成されている。   It is yet another aspect of the present invention to provide a sampling device for sampling materials including biochemicals. In certain embodiments, the sampling device includes a support substrate and a pair of electrodes supported by the substrate. The pair of electrodes are configured to tear a protective film disposed between the support substrate and the substance.

物質中の生化学物質を分析する方法を提供することが、本発明の一態様である。ある実施形態では、方法は、センサの少なくとも作用電極を物質に曝露する工程と、作用電極及び照合電極の全体に亘って電圧を印加する工程と、電極を横切って上記電圧を上記印加する工程の結果として生成される電気特性を測定する工程と、測定された電気特性を物質の特性と関連付ける工程とを含む。   It is an aspect of the present invention to provide a method for analyzing biochemical substances in a substance. In certain embodiments, the method comprises the steps of exposing at least the working electrode of the sensor to the substance, applying a voltage across the working electrode and the reference electrode, and applying the voltage across the electrode. Measuring the resulting electrical properties and associating the measured electrical properties with the material properties.

送達デバイスの支持層内の空洞を満たす方法を提供することが、本発明の更なる態様である。ある実施形態では、方法は、孔が空洞上方に配置されるように、孔を有する密封層を支持層上に配置する工程と、空洞を材料で満たす工程と、孔が空洞から離れて空洞が密封層により覆われるように支持層に対して密封層を配置する工程と、密封層を支持層に結合する工程とを含む。   It is a further aspect of the present invention to provide a method for filling cavities in a support layer of a delivery device. In some embodiments, the method includes disposing a sealing layer having a hole on the support layer, filling the cavity with a material, and separating the cavity from the cavity so that the hole is disposed above the cavity. Placing the sealing layer relative to the support layer so as to be covered by the sealing layer, and bonding the sealing layer to the support layer.

物質の特性を分析するためのデバイスを製造する方法を提供することが、本発明の一態様である。ある実施形態では、方法は、支持基板上に配置されている複数のコネクタと複数の電極との間に結線する工程と、複数の電極を高分子マトリクスに曝露する工程と、接地に対して複数の電極から選択された電極に電気化学ポテンシャルを付与する工程と、選択した電極を高分子マトリクスで被覆する工程とを含む。   It is an aspect of the present invention to provide a method of manufacturing a device for analyzing material properties. In some embodiments, the method includes connecting between a plurality of connectors and a plurality of electrodes disposed on the support substrate, exposing the plurality of electrodes to a polymer matrix, and a plurality of grounds. A step of applying an electrochemical potential to an electrode selected from the above electrodes, and a step of coating the selected electrode with a polymer matrix.

システムのこれら及び他の態様は、ここで、添付図面を参照して記載される。   These and other aspects of the system will now be described with reference to the accompanying drawings.

本発明の発明概念を理解するために、添付図面を考察することが有効である。該図面では、可能な限り、同様の番号は同様の要素を示す。   In order to understand the inventive concept of the present invention, it is useful to consider the accompanying drawings. In the drawings, like numbers indicate like elements whenever possible.

詳細な説明
システム及び方法の概観
本発明は、全般的に、構成可能で柔軟な個人の健康状態の監視及び送達システムのための方法、装置、及びシステムに関する。更に詳細には、本発明は、物質の選択的サンプリングのためのシステム及び方法に関する。上記物質には、間質液及び生体液が含まれるがそれらに限定されず、対象特性の選択的測定に関しては、試料中に存在する生体分子が含まれるがそれらに限定されない。更に、該システム及び方法は、化学物質、生化学物質、及び薬剤を含むがそれらに限定されない保存されている材料の、命令に応じた放出を提供してもよい。
DETAILED DESCRIPTION System and Method Overview The present invention relates generally to a method, apparatus, and system for a configurable and flexible personal health monitoring and delivery system. More particularly, the present invention relates to a system and method for selective sampling of materials. The substance includes, but is not limited to, interstitial fluid and biological fluid. Regarding the selective measurement of the target property, it includes, but is not limited to, biomolecules present in the sample. Further, the systems and methods may provide on-command release of stored materials, including but not limited to chemicals, biochemicals, and drugs.

図1は、本発明の構成可能で柔軟な個人の健康状態の監視及び送達システム10の実施形態を示す概略図である。図示した実施形態では、システム10は、3つの共働デバイスを含む。該共働デバイスには、サンプリング、分析及び送達デバイス12、並びにサンプリング、分析及び送達デバイス12と通信している制御デバイス又はコントローラ14、並びに遠隔ロガー、コントローラ、又は任意の他のデバイスとの往復のデータ伝送を可能にする通信デバイス16を含む。上記任意の他のデバイスは、データを伝送且つ/又は受信するように構成されている。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a configurable and flexible personal health monitoring and delivery system 10 of the present invention. In the illustrated embodiment, the system 10 includes three cooperating devices. The cooperating device includes a sampling, analysis and delivery device 12, and a control device or controller 14 in communication with the sampling, analysis and delivery device 12, and a remote logger, controller, or any other device. It includes a communication device 16 that enables data transmission. Any other device described above is configured to transmit and / or receive data.

以下で更に詳細に説明される通り、サンプリング、分析及び送達デバイス12は、物質をサンプリングするように且つ/又は物質を分析するように且つ/又は化学物質、生化学物質、又は薬剤などの材料をサンプリングされ且つ/又は分析された物質のところへ送達するように構成されてもよい。そのようなものとして、「サンプリング、分析及び送達デバイス」という語句は、デバイスは全ての実施形態において3つの機能全てを提供する必要があるという意味に取られるべきではない。それとは反対に、いくつかの実施形態では、デバイス12は、物質をサンプリングし且つ物質を分析するように、又は物質をサンプリングのみし、物質を分析のみするように構成されてもよい。これら3つの機能の任意の組合せは、本発明の範囲内であると見做される。以下でより詳細に説明される通り、ある実施形態では、デバイス12は、複数の電気化学センサ・セルを含む、柔軟で、伸展性で、無菌で、使い捨ての微小流体電気化学チップであってもよい。   As will be described in more detail below, the sampling, analysis and delivery device 12 may be used to sample a substance and / or analyze a substance and / or a material such as a chemical, biochemical, or drug. It may be configured to deliver to the sampled and / or analyzed material. As such, the phrase “sampling, analysis and delivery device” should not be taken in the sense that the device needs to provide all three functions in all embodiments. In contrast, in some embodiments, the device 12 may be configured to sample and analyze the substance, or only sample and analyze the substance. Any combination of these three functions is considered to be within the scope of the present invention. As will be described in more detail below, in certain embodiments, device 12 may be a flexible, extensible, sterile, disposable microfluidic electrochemical chip that includes a plurality of electrochemical sensor cells. Good.

ある実施形態では、コントローラ14は、可撓性のケーブル及びコネクタを含んでもよい。該コネクタは、コントローラ14が複数の電気化学センサ・セルと通信するように、デバイス12に接続している。コントローラ14はまた、無線制御及びメッセージング・ユニットを含む。メッセージング・ユニットは、通信デバイス16と通信するように構成されており、通信デバイス16は、好ましくは無線の遠隔コンピュータ、又はデータを受信するように構成されている任意の他のデバイスと通信するように構成されてもよい。例えば、遠隔デバイスは、携帯電話、カメラ、音楽プレーヤ、又はメモリを含む任意の他のデバイスであってもよい。また、コントローラ14及び通信デバイス16は、以下で更に詳細に説明される。   In certain embodiments, the controller 14 may include flexible cables and connectors. The connector connects to the device 12 so that the controller 14 communicates with a plurality of electrochemical sensor cells. The controller 14 also includes a radio control and messaging unit. The messaging unit is configured to communicate with a communication device 16, which is preferably in communication with a wireless remote computer or any other device configured to receive data. May be configured. For example, the remote device may be a cell phone, camera, music player, or any other device including a memory. Controller 14 and communication device 16 are also described in more detail below.

システム10の実施形態が、所定の状態に関して物質を監視することが所望される広範な用途に使用されてもよいことが、当業者に理解されるであろう。一般に、システム10は、疾病などの特定の異常な生化学的状態に関して監視し、発見時にそのような状態を治療するのに使用されてもよい。   One skilled in the art will appreciate that embodiments of the system 10 may be used in a wide variety of applications where it is desired to monitor materials for a given condition. In general, system 10 may be used to monitor for certain abnormal biochemical conditions, such as illnesses, and to treat such conditions upon discovery.

図25に示す通り、ある実施形態では、本明細書に記載されているシステム10を用いて対象の疾病などの生化学的状態を監視する方法200を提供する。対象は、人、動物、生体組織、器官、又は食物若しくは水などの非生物物質であってもよい。本実施形態の方法200は、202において開始する。204において、サンプリング、分析及び送達デバイス12のセンサは、デバイス12を対象上の適切な位置に配置することにより、標的生体分子を含む物質に曝露されてもよい。デバイス12は、コントローラ14及び通信デバイス16を介して監視システムに連絡されていてもよい。デバイス12が所定の位置にあり且つシステム10が機能していると、対象の正常な健康基準行動を確定するために、対象は、所定の時間の間に監視されてもよい。例えば、対象の間質液のサンプリングにより発見される可能性のある対象の血流内の生体分子が、その特定の対象内部の「正常」濃度を得るために分析されてもよい。試料は、206においてセンサへの電気信号を供給すること、且つ208において、電気信号に応答して生成された、センサにおける電気特性を測定することにより、分析されてもよい。次いで、210において、測定された電気特性は生物学的状態と関連付けられてもよい。いくつかの実施形態では、対象の正常な健康基準行動は既知であってもよく、システム10にプログラムされていてもよい。基準が確定された後、対象は、206、208及び210と同一の工程を使用して、212において標的生体分子の濃度の上昇又は低下などの異常がシステムにより発見されるまで、システム10を用いて継続して監視されてもよい。   As shown in FIG. 25, in one embodiment, a method 200 for monitoring a biochemical condition, such as a disease of interest, using the system 10 described herein is provided. The subject may be a human, animal, biological tissue, organ, or non-biological material such as food or water. The method 200 of the present embodiment begins at 202. At 204, the sensor of the sampling, analysis and delivery device 12 may be exposed to a substance containing the target biomolecule by placing the device 12 in an appropriate location on the subject. Device 12 may be in communication with the monitoring system via controller 14 and communication device 16. Once the device 12 is in place and the system 10 is functioning, the subject may be monitored during a predetermined time to determine the subject's normal health baseline behavior. For example, biomolecules in a subject's bloodstream that may be discovered by sampling the interstitial fluid of the subject may be analyzed to obtain a “normal” concentration within that particular subject. The sample may be analyzed by providing an electrical signal to the sensor at 206 and measuring an electrical property at the sensor generated in response to the electrical signal at 208. Then, at 210, the measured electrical property may be associated with a biological state. In some embodiments, the subject's normal health baseline behavior may be known and programmed into the system 10. After the criteria are established, the subject uses the same process as 206, 208, and 210 using the system 10 until an abnormality is detected by the system, such as an increase or decrease in the concentration of the target biomolecule at 212. May be continuously monitored.

異常が発見されると、214において信号が生成されてもよく、コントローラ14に伝達されてもよい。この時点で、216において、コントローラ14は監視を継続するか、この時点で方法が206に戻るかを決定してもよく、又はデバイス12に合図して、218において、デバイス12内部の空洞から物質まで材料を送達することを決定してもよく、その後、方法は206に戻ってもよい。対象は、材料の有効性及びコンプライアンスが監視されてもよいように、継続して監視されてもよい。更に、コントローラ14は、異常により生じる任意の二次的影響を検出するために、デバイス12に合図して別のセンサを物質に曝露してもよい。システム10は、異常が消失したと判定された場合、材料の送達を停止するように構成されてもよい。次いで、異常の再発の可能性に関して、システムを用いて対象が監視されてもよい。再発があることが発見されると、材料は対象まで再度送達されてもよいか、又は別の物質が供給されてもよく、対象は継続して監視されてもよい。いかなる時点でも、監視を中止すべきと判断された場合、222において方法は終了する。特に、212において異常がないと判定された場合、コントローラ14は継続して合図し、220において、デバイス12上の同一のセンサ又は別のセンサに電気信号を供給してもよいか、又はコントローラ14は、センサへの信号供給を停止してもよく、222において方法は終了する。   If an abnormality is discovered, a signal may be generated at 214 and communicated to the controller 14. At this point, at 216, the controller 14 may determine whether to continue monitoring or at this point the method returns to 206, or signal the device 12 and at 218, the material from the cavity inside the device 12 May decide to deliver the material until then the method may return to 206. Subjects may be continuously monitored, as material effectiveness and compliance may be monitored. In addition, the controller 14 may signal the device 12 to expose another sensor to the substance in order to detect any secondary effects caused by the anomaly. The system 10 may be configured to stop delivery of material if it is determined that the anomaly has disappeared. The subject may then be monitored using the system for possible recurrence of the abnormality. If it is discovered that there is a recurrence, the material may be delivered again to the subject, or another substance may be supplied and the subject may continue to be monitored. If it is determined that monitoring should be stopped at any time, the method ends at 222. In particular, if it is determined at 212 that there is no abnormality, the controller 14 continues to signal and at 220, an electrical signal may be supplied to the same sensor on the device 12 or another sensor, or the controller 14 May stop supplying the signal to the sensor and the method ends at 222.

前述した監視の時間間隔は可変としてもよいか、又は数分から数週間までの範囲で所定の間隔に設定されてもよい。デバイス12のセル18内部のセンサは、約1pg/dl(微量)から約1g/dl(高濃度)までの広範囲で、標的生体分子の濃度を検出するように構成されてもよい。   The monitoring time interval described above may be variable, or may be set to a predetermined interval in a range from several minutes to several weeks. The sensor inside the cell 18 of the device 12 may be configured to detect the concentration of the target biomolecule over a wide range from about 1 pg / dl (trace amount) to about 1 g / dl (high concentration).

デバイス12は、内部位置及び外部位置を含む、対象の身体上の多数の組織位置に配置されるように構成されてもよい。例えば、外部位置には、対象の腕、脚、頸部、手、足、及び顔の皮膚が含まれてもよい。内部位置の例には、対象の口(頬、歯肉、及び舌を含む)、鼻及び洞の経路、咽喉、耳、並びに目の組織等が含まれる。目又は内耳の部分にデバイスを取り付けることにより、中央神経系に関する情報にアクセスしてもよい。   The device 12 may be configured to be placed at a number of tissue locations on the subject's body, including an internal location and an external location. For example, the external locations may include the subject's arms, legs, neck, hands, feet, and facial skin. Examples of internal locations include the subject's mouth (including cheeks, gingiva, and tongue), nasal and sinus routes, throat, ears, and eye tissue. Information about the central nervous system may be accessed by attaching the device to the part of the eye or inner ear.

システム10はまた、疾病の危険性がある個人、患者、又は集団に関する化学的パネル全体を監視するように構成されてもよい。ある実施形態では、システムは、緊急な救命救急診療を必要とする患者、ショック状態にある患者、ある種の外傷を患う患者、更に意識のない患者の蘇生での使用のために構成されてもよい。デバイス12を患者に貼付することにより、標的生体分子のリアルタイムの分析を実施することができ、たとえ患者が話すことができなくても、患者に関する更なる情報を医療提供者に提供することができる。実施形態において、システム10は、慢性重症疾患を監視し治療して、疾病の早期発見及び/又は治療療法に対する反応を得るために監視するように構成されてもよい。   The system 10 may also be configured to monitor an entire chemical panel for individuals, patients, or populations at risk of disease. In some embodiments, the system may be configured for use in resuscitation of patients in need of urgent emergency care, patients in shock, patients with certain trauma, and unconscious patients. Good. By affixing the device 12 to the patient, real-time analysis of the target biomolecule can be performed, and even if the patient cannot speak, further information about the patient can be provided to the health care provider. . In an embodiment, the system 10 may be configured to monitor and treat chronic severe illness to monitor for early detection of disease and / or response to therapeutic therapy.

サンプリング、分析及び送達デバイス
図2は、デバイス12の機能的構成要素を示す概略図である。図示した通り、デバイス12は、複数のサンプリング、分析及び送達セル18を含む。「サンプリング、分析及び送達セル」という語句は、セルが全ての実施形態において3つの機能全てを提供する必要があるという意味に取られるべきではない。それとは反対に、いくつかの実施形態では、1つのセル18は、物質をサンプリングし且つ物質を分析するように構成されてもよく、1つのセル18は、物質をサンプリングだけし、物質を分析だけし、物質へ材料を送達だけするように構成されてもよい。単一セルにおけるこれら3つの機能の任意の組合せは、本発明の範囲内であると見做される。
Sampling, Analysis and Delivery Device FIG. 2 is a schematic diagram showing the functional components of device 12. As shown, device 12 includes a plurality of sampling, analysis and delivery cells 18. The phrase “sampling, analysis and delivery cell” should not be taken to mean that the cell needs to provide all three functions in all embodiments. In contrast, in some embodiments, one cell 18 may be configured to sample a substance and analyze the substance, and one cell 18 only samples the substance and analyzes the substance. However, it may be configured to only deliver material to the substance. Any combination of these three functions in a single cell is considered to be within the scope of the present invention.

図示した実施形態では、セル18は、複数の列及び行の中に配列されている。他の配列も検討されるのであり、図示した実施形態は、決して、限定することを意図するものではない。デバイス12はまた、複数の電気的接触パッド20を含む。該電気的接触パッドは、コントローラ14及び複数の導電性パス22と連絡するように構成されている。該導電性パスはセル18を接触パッド20に接続する。セル18は、組織などの分析される試料に接触して配置されている領域24内に配置されている。デバイス12は、電気デバイス識別領域26を随意に含んでもよい。電気デバイス識別領域は、デバイス12がそこに接続された場合、特定のデバイス12がコントローラ14により識別されることを可能にする。   In the illustrated embodiment, the cells 18 are arranged in a plurality of columns and rows. Other arrangements are contemplated and the illustrated embodiment is not intended to be limiting in any way. Device 12 also includes a plurality of electrical contact pads 20. The electrical contact pad is configured to communicate with the controller 14 and the plurality of conductive paths 22. The conductive path connects cell 18 to contact pad 20. The cell 18 is disposed in a region 24 that is disposed in contact with a sample to be analyzed such as tissue. Device 12 may optionally include an electrical device identification area 26. The electrical device identification area allows a particular device 12 to be identified by the controller 14 when the device 12 is connected thereto.

間質液中に存在する生体分子が経皮的にサンプリングされることになる一実施形態では、デバイス12は対象の皮膚に密接して配置され、圧力又は接着剤により所定の位置に保持される。正確に予め決定され制御される一連の電気パルスは、熱及び局所電界を生成するために、セル18内に配置されている種々の選択可能な電極の1対又は数対に付与されてもよい。熱及び局所電界は、生存表皮内のそれらの真下にある生体細胞を損傷することなく角質層の死んだ皮膚細胞を断裂する。このことにより、間質液は、デバイス12上のその点の表面に向かって流出してそこを浸し、何時間も即ち角質層が再形成するまで、下層組織の濃度と平衡状態にある濃度を維持することが可能になる。   In one embodiment where biomolecules present in the interstitial fluid will be sampled transcutaneously, the device 12 is placed in close contact with the subject's skin and held in place by pressure or adhesive. . A series of precisely predetermined and controlled electrical pulses may be applied to one or several pairs of various selectable electrodes located within the cell 18 to generate heat and local electric fields. . Thermal and local electric fields rupture dead skin cells in the stratum corneum without damaging living cells beneath them in the living epidermis. This causes the interstitial fluid to flow towards the surface of the point on the device 12 and soak it there for a concentration that is in equilibrium with the underlying tissue concentration for hours or until the stratum corneum is re-formed. It becomes possible to maintain.

角質層が断裂されたその正確な位置で、1対又は複数対の電気化学的電極は、間質液の1つ又は複数の特性を選択的に測定するために、いくつかの方法の中の1つで配置され用意されてもよい。これらの特性には、生化学的検体などの生体分子の濃度、及び/又は溶存ガスのpH又は濃度などの物理化学的特性が含まれるがそれらに限定されない。そのような測定は、性質上継続的であってもよく、角質層が修復されるまで、これらの濃度の任意の時間変化を確実に追跡してもよい。以下でより詳細に説明される通り、各セルにおける電極の調製には、所望の測定を開始する前に、反応表面を保護するカプセル化が含まれてもよい。カプセル化は、標的生体分子に応じて、例えば接着膜、結合膜、帯電膜、導電性膜等、不透過性膜及び反応性膜により、又は種々の用途のために選択される選択的透過性膜により実現されてもよい。   At the exact location where the stratum corneum has been torn, one or more pairs of electrochemical electrodes can be used in several ways to selectively measure one or more properties of the interstitial fluid. One may be arranged and prepared. These properties include, but are not limited to, concentrations of biomolecules such as biochemical analytes, and / or physicochemical properties such as pH or concentration of dissolved gas. Such measurements may be continuous in nature and may reliably track any temporal changes in these concentrations until the stratum corneum is repaired. As described in more detail below, the preparation of the electrode in each cell may include an encapsulation that protects the reaction surface before initiating the desired measurement. Encapsulation is selectively permeable, depending on the target biomolecule, for example adhesive membranes, binding membranes, charged membranes, conductive membranes, impermeable membranes and reactive membranes, or selected for different applications. It may be realized by a membrane.

ある実施形態では、分析される生体液を含む物質は、食物、水、空気、全血、尿、唾液、化学反応物、及び培地を含むがそれらに限定されない種々の試料から既に収集されていてもよい。そのような実施形態では、生体液を含む物質の少量が、静的に又は表面を横断する連続流により、デバイス12の表面に塗布されてもよい。コントローラ14は、1つ又はいくつかの選択的検出セル18を開いて生体液の特定の濃度を監視し始めるように構成されてもよい。例えば、診療時点で直ちに採血を分析することができるか、又は化学的生物学的に汚染のない純度を得るために空気及び水の試料を継続的に監視することができる。更に、セル18が使い果たされるか、又は新たな汚染の脅威が確認された時、新しいセル18をその所定の位置で開くことにより、セル18を交換することができる。システム10は、分析及び監視システムに特有の用途を提供するように構成可能である。   In certain embodiments, the material comprising the biological fluid to be analyzed has already been collected from a variety of samples including, but not limited to, food, water, air, whole blood, urine, saliva, chemical reactants, and media. Also good. In such embodiments, a small amount of a substance containing biological fluid may be applied to the surface of device 12 either statically or by continuous flow across the surface. The controller 14 may be configured to open one or several selective detection cells 18 and begin monitoring a specific concentration of biological fluid. For example, blood collection can be analyzed immediately at the point of care, or air and water samples can be continuously monitored to obtain chemical and biological purity. Furthermore, when the cell 18 is exhausted or a new contamination threat is identified, the cell 18 can be replaced by opening the new cell 18 in its predetermined position. System 10 can be configured to provide applications specific to analysis and monitoring systems.

サンプリング
図3は、デバイス12上の多数のうちの1つであってもよい単一のセル18の実施形態の一部の概略上面図である。本実施形態では、セル18は、サンプリング、分析及び送達のために構成されており、サンプリング及び分析の両方のための構成要素は、柔軟基板40の表面上に曝露される。デバイス12が非平坦面に取り付けられる用途では、該基板は、デバイス12が非平坦面の表面に適合できるように、可撓性である。埋没されたカプセル化、即ち送達用材料を含んでもよい空洞28は、外郭線で示されている。最終的に図2に示す導電性パスに接続されている導電性パス30は、薄い絶縁層により覆われ、選択的作動電極32及び照合電極34の一部を形成する。図3に示す通り、露出した電気的抵抗素子部分36は、他の導電性パス39の露出区域38に結合する。
Sampling FIG. 3 is a schematic top view of a portion of an embodiment of a single cell 18 that may be one of many on device 12. In this embodiment, the cell 18 is configured for sampling, analysis, and delivery, and components for both sampling and analysis are exposed on the surface of the flexible substrate 40. In applications where the device 12 is attached to a non-flat surface, the substrate is flexible so that the device 12 can conform to the surface of the non-flat surface. A cavity 28 that may contain an embedded encapsulation, i.e., a delivery material, is shown in outline. The conductive path 30 that is finally connected to the conductive path shown in FIG. 2 is covered by a thin insulating layer and forms part of the selective working electrode 32 and the verification electrode 34. As shown in FIG. 3, the exposed electrical resistive element portion 36 is coupled to an exposed area 38 of another conductive path 39.

図4Aは、サンプリング及び分析セル18の実施形態の概略上面図である。この配置図では、選択的作動電極32及び照合電極34は、第2の導電性パスの導電性パス38の露出した区域により結合されており、その結果、角質層の断裂及びクロノアンペロメトリー分析測定又は他の電気特性分析測定を、同じ電極32、34により行うことができる。   FIG. 4A is a schematic top view of an embodiment of the sampling and analysis cell 18. In this arrangement, the selective working electrode 32 and the reference electrode 34 are joined by an exposed area of the conductive path 38 of the second conductive path, resulting in stratum corneum rupture and chronoamperometry analysis. Measurements or other electrical property analysis measurements can be made with the same electrodes 32, 34.

図5は、図3の実施形態のA−Bに沿った横断面を示す。該横断面は、可撓性基板40の部分上にある選択的作動電極32であってもよい分析電極の近傍にある抵抗素子36を示す。   FIG. 5 shows a cross section along AB of the embodiment of FIG. The cross section shows the resistive element 36 in the vicinity of the analysis electrode, which may be a selective working electrode 32 on a portion of the flexible substrate 40.

図6は、図3に示す構成の変形の概略横断面である。そこでは、分析電極32及び34は、基板40内の空洞内部にカプセル化されており、基板材料の薄膜上のサンプリング点にある。空洞28は、サンプリング部位に送達される材料で満たされていてもよいか、又は空洞28は空でもよい。   FIG. 6 is a schematic cross section of a modification of the configuration shown in FIG. There, the analysis electrodes 32 and 34 are encapsulated within a cavity in the substrate 40 and are at sampling points on a thin film of substrate material. The cavity 28 may be filled with material that is delivered to the sampling site, or the cavity 28 may be empty.

図7は、図6と同一の横断面を示す。そこでは、抵抗素子の作動により、基板の薄膜に裂け目42が生じている。この裂け目42は、分析電極32、34を分析される物質に曝露させることになり、また、任意のカプセル化された送達材料を空洞28からサンプリング部位まで送達することを可能にする。   FIG. 7 shows the same cross section as FIG. There, a tear 42 is formed in the thin film of the substrate due to the operation of the resistance element. This tear 42 will expose the analytical electrodes 32, 34 to the substance to be analyzed and also allow any encapsulated delivery material to be delivered from the cavity 28 to the sampling site.

断裂
いくつかの分析用途の1つでは、デバイス12は、標的対象の皮膚又は何らかの他の組織若しくは膜に接触して、接着保持されている。図11は、皮膚などの組織に接触している図6のセルを示しており、鱗状角質層48、及び間質液がその下に位置している生存表皮組織50を概略的に示すために簡略化されている。
Rupture In one of several analytical applications, the device 12 is held in contact with the target skin or some other tissue or film. FIG. 11 shows the cell of FIG. 6 in contact with tissue such as skin, to schematically show the scaly stratum corneum 48 and the living epidermal tissue 50 with the interstitial fluid located beneath it. It has been simplified.

ある実施形態では、次いで、対象の角質層は、1秒未満継続する約2Vの一連の電圧パルスを付与することにより断裂されてもよい。必要な正確な順序及び電圧は、特定の対象及び断裂する組織の位置及び性質に関して調節されなければならない。試料電極間での熱及び電圧の低下は、角質層の死細胞を除去しないが、それらの間の結合に役立ち、それにより、毛細管開口部を作り出す。毛細管開口部は、生存表皮から試料電極へ間質液を吐き出させる働きをし、十分な体液移行が、角質層真下の生存組織内の間質液との平衡を保ち平衡を動的に維持することを可能にする。   In certain embodiments, the stratum corneum of interest may then be ruptured by applying a series of voltage pulses of about 2V lasting less than 1 second. The exact sequence and voltage required must be adjusted with respect to the particular object and the location and nature of the tissue to be ruptured. The reduction in heat and voltage between the sample electrodes does not remove dead cells in the stratum corneum but helps to bond between them, thereby creating a capillary opening. Capillary openings serve to exhale interstitial fluid from the living epidermis to the sample electrode, and sufficient fluid transfer maintains equilibrium with the interstitial fluid in the living tissue beneath the stratum corneum and maintains the equilibrium dynamically Make it possible.

関門組織の断裂は、機械的手段(例えば、針)によるアブレーション及びポレーションなどの過程が通常用いられる先行技術とは異なる。アブレーションは、特定の標的細胞の除去を指す。障壁細胞は生体細胞ではないことが多く、鱗状且つ生体形状よりも平らである場合もあり、近接して等角で詰め込まれており、細胞壁を構成する生体分子間の化学結合により互いに接着している。断裂の過程は、詰め込まれた障壁細胞間の結合がそれにより徐々に壊れて細胞間に毛細管開口部の形成を可能にする過程を指す。細胞自体は大部分無傷のままである。毛細管の大きさが増大する一時点に、間質液がそれを通って表面まで抜き取られる導電性パスが存在する。流出の速度及び性質は、例えば基礎代謝血圧とは無関係であり、間質液を外部に向けさせる内圧は存在しないことが観察された。サンプリング・デバイス上での且つ毛細管構造又は微小筺体内でのサンプリング点の特別な親水性表面処理を用いて、間質液流を増強することができる。毛細管構造又は微小筺体は、サンプリング・デバイスの場合、表面にパターン化されている。   Barrier tissue rupture differs from the prior art where processes such as ablation and poration by mechanical means (eg, needles) are commonly used. Ablation refers to the removal of specific target cells. Barrier cells are often non-biological cells, and may be more scaly and flatter than biological shapes, packed close together and equiangularly, and bonded to each other by chemical bonds between biomolecules that make up the cell wall. Yes. The process of rupture refers to the process whereby the connections between the packed barrier cells are thereby gradually broken, allowing the formation of capillary openings between the cells. The cells themselves remain largely intact. At a point in time when the size of the capillary increases, there is a conductive path through which interstitial fluid is drawn to the surface. It was observed that the rate and nature of efflux is independent of, for example, basal metabolic blood pressure, and there is no internal pressure that directs interstitial fluid outward. Interstitial fluid flow can be enhanced using special hydrophilic surface treatments of sampling points on the sampling device and in the capillary structure or microenvelope. The capillary structure or micro-encasement is patterned on the surface in the case of sampling devices.

関門組織の確実な断裂に関するこの独特の技術は、特定の順序及び個別にアドレス指定されるサンプリング電極上での電気エネルギー・パルスの組合せを含む。特に、ヒトの前腕皮膚では、サンプリング電極間にある1つ又は複数の導電薄膜抵抗器が使用された。複数抵抗器では、抵抗値は、高抵抗(例えば、200Ohm)から中抵抗へ低抵抗(50Ohm)へと縦続接続するように選択される。各抵抗器の大きさは、その近傍から除去されることになる障壁細胞の大きさに相当する。これは、50ミクロンの角質層細胞では、電極間の間隙が100ミクロン未満のはずであることを意味する。0から2Vの電気電圧工程が、1秒未満の短いバーストで電極に印加されてもよく、通常、各パルス毎に0.2V上昇する。デバイスは、コネクタから電極まで通じる導電線が、抵抗器のところ以外に埋設されるように製造されてもよい。   This unique technique for reliable rupture of barrier tissue involves a combination of electrical energy pulses on a sampling electrode that is individually addressed and individually addressed. In particular, in human forearm skin, one or more conductive thin film resistors between the sampling electrodes were used. For multiple resistors, the resistance value is selected to cascade from high resistance (eg, 200 Ohm) to medium resistance to low resistance (50 Ohm). The size of each resistor corresponds to the size of the barrier cell that will be removed from its vicinity. This means that for a 50 micron stratum corneum cell, the gap between the electrodes should be less than 100 microns. An electrical voltage step of 0 to 2V may be applied to the electrode in short bursts of less than 1 second, typically rising 0.2V for each pulse. The device may be manufactured such that the conductive wire leading from the connector to the electrode is embedded other than at the resistor.

ある実施形態では、最大4MV/mの中程度の電界が付与されてもよい。次に、最小抵抗素子の温度は、2.2Vで、極めて短時間に140℃に到達してもよく、次いで、抵抗器が開いてもよい。開口部は、抵抗器及び基礎となるサンプリング・デバイスの材料(多くは、ポリエチレン又はメタクリレートなどの低溶融温度の高分子膜)の精密製造材料、寸法、及び順序により決定される。材料が変形すると断線する。熱プロフィール測定は、温度が50ミクロン厚さの角質層全体に亘って80℃未満まで低下することを示す。抵抗器が1つだけしかない場合は、電極は開回路内に入るが、電界は依然としてパルスで電極間に付与される。複数の抵抗器では、電圧工程は、全ての抵抗器が制動し回路を開くまで継続してもよい。ここで、電極は単独で残され、検出電極と照合電極との間の電気化学測定を可能にしてもよい。   In some embodiments, a moderate electric field up to 4 MV / m may be applied. Next, the temperature of the minimum resistance element is 2.2 V and may reach 140 ° C. in a very short time, and then the resistor may be opened. The opening is determined by the precision manufacturing material, dimensions, and order of the resistor and the underlying sampling device material (often a low melting temperature polymer film such as polyethylene or methacrylate). It breaks when the material is deformed. Thermal profile measurements show that the temperature drops to below 80 ° C. across the 50 micron thick stratum corneum. If there is only one resistor, the electrodes will be in open circuit, but the electric field will still be pulsed between the electrodes. For multiple resistors, the voltage process may continue until all resistors have braked and opened the circuit. Here, the electrode may be left alone to enable electrochemical measurement between the detection electrode and the verification electrode.

細胞を断裂するのではなく細胞をアブレーションすることが望ましい実施形態では、デバイスの表面にヒータを設けてもよい。ヒータは、例えば、細胞をアブレーションするために50mJパルスの熱エネルギーが角質層細胞に付与されるように構成されていてもよい。そのような装置は、例えば、本明細書に参照により援用されている、米国特許第6887202号明細書に記載されている。   In embodiments where it is desirable to ablate cells rather than rupture cells, a heater may be provided on the surface of the device. The heater may be configured, for example, such that 50 mJ pulses of thermal energy are applied to the stratum corneum cells in order to ablate the cells. Such a device is described, for example, in US Pat. No. 6,887,202, which is incorporated herein by reference.

図12は、領域52における障壁細胞の断裂後の図11のセルを示す概略図である。浸透液路が設けられ、生存表皮細胞50からの間質液54が毛管力によりサンプリング部位へと押し進められそこを浸すことを可能にする。以下で説明する通り、電極を浸す間質液54は、選択的電極32及び34により分析されてもよい。   FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the cell of FIG. 11 after rupturing of the barrier cells in region 52. FIG. An osmotic fluid path is provided to allow interstitial fluid 54 from viable epidermal cells 50 to be pushed and submerged by capillary forces to the sampling site. As described below, the interstitial fluid 54 soaking the electrodes may be analyzed by the selective electrodes 32 and 34.

ある実施形態では、断裂用電極自体が電気化学的測定に使用されてもよく、それにより、小型で経済的な製造、高い詰込み密度、並びに接続及び制御回路の簡単化がもたらされる。   In some embodiments, the tearing electrode itself may be used for electrochemical measurements, thereby providing small and economical manufacturing, high packing density, and simplification of connection and control circuitry.

いくつかの用途、特にサンプリングされる物質が標的対象の上面に既に配置されている用途では、デバイスは細胞断裂の機構を含みさえしないこともある。   In some applications, particularly those where the material to be sampled is already placed on the top surface of the target object, the device may not even include a mechanism for cell rupture.

分析
本発明のある実施形態では、2つの試料電極が基板40により支持されており、抵抗素子により結合されている。電子伝導性酵素固定層が試料電極の少なくとも1つの一部を被覆し、保護層が試料電極の近傍以外のデバイス全体を覆ってもよい。
Analysis In one embodiment of the invention, two sample electrodes are supported by a substrate 40 and are coupled by a resistive element. The electron conductive enzyme immobilization layer may cover at least one part of the sample electrode, and the protective layer may cover the entire device other than the vicinity of the sample electrode.

間質液の分析に関する実施形態では、電子伝導性酵素固定層の近傍に抜き取られた間質液中の任意の標的生体分子が、固定された酵素と相互作用する。この相互作用は、例えば、試料電極を横切って印加される電圧を使用して行なわれるクロノアンペロメトリック測定により検出されてもよい。当然、電極は、例えば抵抗、静電容量等の他の種類の電気特性が測定されてもよいように構成されてもよい。   In the embodiment relating to the analysis of interstitial fluid, any target biomolecule in the interstitial fluid extracted in the vicinity of the electron conductive enzyme immobilization layer interacts with the immobilized enzyme. This interaction may be detected, for example, by chronoamperometric measurements performed using a voltage applied across the sample electrode. Of course, the electrodes may be configured such that other types of electrical properties such as resistance, capacitance, etc. may be measured.

図9は、図6の横断面を示す。そこでは、分析電極32及び36の有効表面積が増大され、ノイズ比に対する対応する電気信号の増加及び該信号の減少を達成する。面積の増大は、空洞の壁上の追加面積を被覆すること及び被保護海綿多孔質電極材料を使用することの両方により達成され得る。   FIG. 9 shows a cross section of FIG. There, the effective surface area of the analysis electrodes 32 and 36 is increased to achieve a corresponding increase in electrical signal and a decrease in the signal relative to the noise ratio. The increase in area can be achieved both by covering an additional area on the cavity wall and by using a protected sponge porous electrode material.

図10は、図6の横断面を示す。そこでは、分析電極32及び34の有効表面積が増大され、ノイズ比に対する対応する電気信号の増加及び信号の減少を達成する。面積の増大は、作用電極32の表面を、所望の選択的化学的性質を備えて調製された被保護高密度ナノ材料で被覆することにより達成され得る。そのようなナノ材料の調製は、以下でより詳細に説明する。   FIG. 10 shows a cross section of FIG. There, the effective surface area of the analysis electrodes 32 and 34 is increased to achieve a corresponding increase in electrical signal and a decrease in signal relative to the noise ratio. The increase in area can be achieved by coating the surface of the working electrode 32 with a protected high density nanomaterial prepared with the desired selective chemistry. The preparation of such nanomaterials is described in more detail below.

図15は、保護膜の反対面には配置されていないサンプリング体液に使用されるセルを示す。図6のセルは、分析される停滞液又は流動液56に直接接触している。図16は、空洞28に体液が進入することを可能にするために開かれた、図15のセルを示す。空洞内には、電極32及び34が配置されている。電極32及び34は体液に曝露されており、該電極に電圧が印加され、結果として得られる電気特性が測定されてもよい。   FIG. 15 shows a cell used for sampling body fluid that is not located on the opposite side of the protective membrane. The cell of FIG. 6 is in direct contact with the stagnant or fluid 56 to be analyzed. FIG. 16 shows the cell of FIG. 15 opened to allow body fluid to enter the cavity 28. Electrodes 32 and 34 are disposed in the cavity. The electrodes 32 and 34 may be exposed to body fluid, and a voltage may be applied to the electrodes and the resulting electrical properties may be measured.

図17は、サンプリング用の固体又は粉末に使用されるセルを示す。分析される乾燥試料58がそこに塗布されたか又はそこに収集された図8のセル。図18は、包含された体液が乾燥した試料58を浸して溶解し、それにより、分析電極に濃度が存在することを可能にするために開かれた、図17のセルを示す。   FIG. 17 shows a cell used for sampling solids or powders. The cell of FIG. 8 with the dried sample 58 to be analyzed applied or collected there. FIG. 18 shows the cell of FIG. 17 opened to allow the contained body fluid to soak and dissolve the dried sample 58, thereby allowing a concentration to be present at the analysis electrode.

前述したセル及び電極の図示した実施形態は、決して、限定することを意図するものではないが、代わりに、可能性のある構成の例を提供することを意図している。   The illustrated embodiments of cells and electrodes described above are not intended to be limiting in any way, but instead are intended to provide examples of possible configurations.

例えば、間質液などの生体液中に溶解している酸素、二酸化炭素、一酸化炭素(有害)、及び亜酸化窒素を含むがそれらに限定されないガス濃度を測定することが望ましい実施形態では、デバイス12は、次のように構成されてもよい。ある実施形態では、デバイス12は、間質液へのアクセスを得るために身体上に配置されてもよい。別の実施形態では、デバイス12は、デバイス12を吸入空気及び呼気に曝露し、それにより、実施されることになる気体成分測定を可能にするような方法で、鼻腔又はその付近などの対象の肺換気経路内に配置されてもよい。   For example, in embodiments where it is desirable to measure gas concentrations including but not limited to oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide (harmful), and nitrous oxide dissolved in biological fluids such as interstitial fluid, The device 12 may be configured as follows. In certain embodiments, the device 12 may be placed on the body to gain access to interstitial fluid. In another embodiment, the device 12 exposes the device 12 to inhaled air and exhaled air, thereby allowing measurement of a gas component to be performed in a manner such as at or near the nasal cavity. It may be placed in the pulmonary ventilation pathway.

その内容全体が参照により本明細書により援用されている、米国特許第6270651号明細書及び同第7001405号明細書並びに米国特許出願公開第20010052459号明細書に記載されているものなどのデバイス12の検出電極が、これらの気体の選択的精密測定に対して高感度にされてもよい多くの方法がある。デバイス12の検出電極は、特定の金属及び電解質の薄膜を用いて調製されてもよい。該特定の金属及び電解質は、気体に曝露された場合、ガス分圧の対数に比例して電気化学電圧を選択的に生成する。使用されてもよい電解質材料の中には若干水溶性のものもあり、図18に層58で示す通り、疎水性であるが気体分子がその層を透過し通過して検出電極に到達することを可能にするポリマー被覆の薄膜により保護されてもよい。   Of the device 12, such as those described in US Pat. Nos. 6,270,651 and 7001,405 and US Patent Application Publication No. 20010052459, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. There are many ways in which the sensing electrode may be made sensitive to selective precision measurement of these gases. The sensing electrode of device 12 may be prepared using specific metal and electrolyte thin films. The specific metals and electrolytes selectively generate an electrochemical voltage proportional to the logarithm of the gas partial pressure when exposed to a gas. Some electrolyte materials that may be used are slightly water soluble, as shown by the layer 58 in FIG. 18, which is hydrophobic but allows gas molecules to pass through the layer to reach the detection electrode. It may be protected by a thin film of polymer coating that allows

酸素血液ガスなどの気体を検出する別の方法では、デバイス12の検出電極は、酸化スズ又はインジウム・スズ酸化物などの材料の薄い半導体多結晶層により結合されてもよい。間質液又は呼気からの酸素は、半導体多結晶材料内に吸収されてもよく、ガス分圧に応じて、電極間のその電気伝導率を修正してもよい。更に、対象気体分子を選択的に吸収する半導体又は絶縁体(ポリマーを含む)の薄膜を使用し、吸収量が、デバイス12のセル18内の電極32、34間の電気容量の変化として電気的に測定されてもよい。   In another method of detecting a gas, such as oxygen blood gas, the sensing electrode of device 12 may be bound by a thin semiconductor polycrystalline layer of material such as tin oxide or indium tin oxide. Oxygen from the interstitial fluid or exhaled air may be absorbed into the semiconductor polycrystalline material and its electrical conductivity between the electrodes may be modified depending on the gas partial pressure. Further, a thin film of a semiconductor or an insulator (including a polymer) that selectively absorbs target gas molecules is used, and the amount of absorption is electrically changed as a change in capacitance between the electrodes 32 and 34 in the cell 18 of the device 12. May be measured.

本発明のある実施形態では、圧電検出デバイスは、デバイス12の空洞28内に作られ、抗体−抗原即ちAb−Agの検出を可能にしてもよい。Ab−Ag検出は、結合事象を伴う共振周波数のシフトを監視することにより容易になる可能性がある。ある実施形態では、圧電デバイスは、その受容体に結合している検体を検出するために圧電材料を組み込んでいる片持ち梁及び膜構造を含む。片持ち梁に関しては、2つの検出モードが使用されてもよい。第1に、結合事象が生じた場合、生じる表面応力は応力圧電膜により生成される電圧を測定することにより測定されてもよい。第2に、結合事象に起因する量の変化の結果としての片持ち梁の共振周波数のシフトが検出されてもよい。圧電材料を組み込んでいる膜構造に関しては、Ab−Ag錯体形成が、共振周波数シフトを測定することにより決定されてもよい。   In certain embodiments of the invention, a piezoelectric detection device may be made in the cavity 28 of the device 12 to allow detection of antibody-antigen or Ab-Ag. Ab-Ag detection may be facilitated by monitoring resonance frequency shifts associated with binding events. In certain embodiments, a piezoelectric device includes a cantilever and a membrane structure that incorporates a piezoelectric material to detect an analyte bound to its receptor. For cantilever beams, two detection modes may be used. First, when a binding event occurs, the resulting surface stress may be measured by measuring the voltage generated by the stress piezoelectric film. Second, a shift in the resonant frequency of the cantilever beam as a result of the change in amount due to the coupling event may be detected. For membrane structures incorporating piezoelectric materials, Ab-Ag complex formation may be determined by measuring the resonant frequency shift.

ある実施形態では、デバイスは、デバイス構造内部に圧電膜を実装して、容量性素子上に蓄積することができる電流を生成してもよい。デバイスは、自然な身体動作によりパッチに曲げの動きが生じる身体(前腕、手首、臀部等)上で消耗する可能性がある。圧電素子を使用することにより、いかなる曲げ圧力も電気エネルギーに変換することができる。固体が機械的圧力を電気信号に変換し且つ戻す能力は、固体内の不均一な電荷分布に基づいている。材料全体は中性のままであるが、検出可能な内部電位を作ることができる多数の双極子モーメントが存在する。この電気信号は、圧電材料が、ポーリングとして既知の分極過程を最初に経る場合に最大になる。分極過程の前に、双極子が固体の端から端まで無作為に分布されるが、外部の電界及び温度により分極された場合、双極子は内部双極子を再設定して秩序状態及び略整列した状態にする。機械的圧縮は双極子モーメントの規模を縮小させ、このようにして、双極子モーメントの規模を増大させ且つ電圧信号を増加させると同時に、電圧を低下させる。   In certain embodiments, the device may mount a piezoelectric film within the device structure to generate a current that can be stored on the capacitive element. The device may wear out on the body (forearm, wrist, buttocks, etc.) where the natural body movement causes the patch to bend. By using piezoelectric elements, any bending pressure can be converted into electrical energy. The ability of a solid to convert and return mechanical pressure to an electrical signal is based on a non-uniform charge distribution within the solid. Although the entire material remains neutral, there are numerous dipole moments that can create a detectable internal potential. This electrical signal is maximized when the piezoelectric material first undergoes a polarization process known as poling. Before the polarization process, the dipoles are randomly distributed from one end of the solid to the other, but when polarized by an external electric field and temperature, the dipoles reset the internal dipoles to be in an ordered state and nearly aligned To the state. Mechanical compression reduces the magnitude of the dipole moment, thus increasing the magnitude of the dipole moment and increasing the voltage signal while simultaneously reducing the voltage.

同様の態様では、圧電材料と同極で印加された電圧が材料を伸展する一方、印加された反対極の電圧は材料を圧縮する。デバイスの一構成では、二フッ化ポリビニリデン即ちPVDFと類似した高分子圧電材料の層が、基板内に組み込まれているか又は基板上に堆積されている。デバイスの一用途は、電位を測定し、それをサンプリング・デバイスの変形の尺度として使用することである。第2の独立した対立しない用途には、制御及び通信デバイス14及び16が含まれる。電位は電流を生成し、コントローラ14は、該電位を整流し、静電容量又は内蔵再充電可能可撓性ポリマーのリチウム電池のどちらかを充電するために使用してもよい。   In a similar manner, a voltage applied at the same polarity as the piezoelectric material stretches the material while an applied voltage at the opposite polarity compresses the material. In one configuration of the device, a layer of polymeric piezoelectric material similar to polyvinylidene difluoride, or PVDF, is incorporated into or deposited on the substrate. One use of the device is to measure the potential and use it as a measure of the deformation of the sampling device. A second independent non-conflicting application includes control and communication devices 14 and 16. The potential generates a current and the controller 14 may rectify the potential and use it to charge either a capacitance or a built-in rechargeable flexible polymer lithium battery.

送達
図4Bは、材料を物質まで送達するように構成されているセル18の実施形態の概略上面図である。この配置では、送達用の材料を含む埋設されているカプセル化又は空洞28が、導電パスの露出した抵抗素子部分により結合されている、導電性パスの一対の露出区域38の後ろに配置されている。このように、角質層の断裂を用いて、埋設されているカプセル化28内の材料の間質液までの送達を実現してもよい。材料は、気体、液体、又は固体の形態であってもよく、薬剤、化学物質、細胞、生化学物質、生体分子、タンパク質、ペプチド、遺伝物質等を含んでもよい。
Delivery FIG. 4B is a schematic top view of an embodiment of a cell 18 configured to deliver material to a substance. In this arrangement, an embedded encapsulation or cavity 28 containing a delivery material is placed behind a pair of exposed areas 38 of the conductive path that are joined by an exposed resistive element portion of the conductive path. Yes. In this way, stratum corneum rupture may be used to achieve delivery to the interstitial fluid of the material within the embedded encapsulation 28. The material may be in gaseous, liquid, or solid form and may include drugs, chemicals, cells, biochemicals, biomolecules, proteins, peptides, genetic material, and the like.

図4Cは、セル18の別の実施形態の一部分の概略的な上面図を示す。該セル18は、デバイス12上の多数の中の1つであってもよい。本実施形態では、サンプリング・デバイス及び分析デバイスは両方とも柔軟基板40の表面上に露出しており、電極32、34は導電性パスの露出部分に配置されており、それにより、結果的に導電性パスが少なくなり、制御機能の増大が必要になる場合がある。   FIG. 4C shows a schematic top view of a portion of another embodiment of cell 18. The cell 18 may be one of many on the device 12. In this embodiment, both the sampling device and the analysis device are exposed on the surface of the flexible substrate 40, and the electrodes 32, 34 are located on the exposed portion of the conductive path, thereby resulting in a conductive There are cases where the number of control paths is reduced and the control function needs to be increased.

測定点における別個の複数のカプセル化内では、所望の濃度の化学物質が間質液中に溶解し、且つ局所的に断裂された角質層を通って身体に再度アクセスすることを可能にするために、カプセル化壁材料を貫通するか又はカプセル化壁の部分の裂け目を貫通する順次的な制御された裂開による制御された拡散により、気相内の生化学物質、乾燥粉末、又は水溶液が保存され解放されてもよい。分析化学ツールとして、局所間質液の組成物を反応させ修飾するために化学物質を選択することができ、反応生成物は、複数の電極により測定されてもよい。或いは、カプセル化された化学試料は較正基準であってもよい。単独で、選択された測定電極又は新たに選択された測定電極を使用して、投与された化学物質に対する対象の反応を継続して追跡することができ、このように、有効性を定量化し個人に適合させることができ、最少投与量で副作用を安全に検出し防止することができる。   Within separate encapsulations at the measurement point, to allow the desired concentration of chemical to dissolve in the interstitial fluid and re-access the body through the locally ruptured stratum corneum In addition, the controlled diffusion by sequential controlled cleavage through the encapsulating wall material or through the crevice of the encapsulating wall portion may result in biochemicals, dry powders or aqueous solutions in the gas phase. It may be saved and released. As an analytical chemistry tool, a chemical can be selected to react and modify the composition of the local interstitial fluid, and the reaction product may be measured by multiple electrodes. Alternatively, the encapsulated chemical sample may be a calibration standard. Alone, a selected measuring electrode or a newly selected measuring electrode can be used to continuously track a subject's response to an administered chemical, thus quantifying effectiveness and personal And can safely detect and prevent side effects with minimal dosage.

図8は、空洞28が試料位置で送達用の材料44で満たされた状態での図6の横断面を示す。空洞をいかにして満たしてよいかに関する実施形態は、以下で更に詳細に説明する。作用電極32及び34が送達材料44の濃度を設定し、それにより、空洞内にどのくらいの量の材料が残っているか及びどのくらいの量がサンプリング部位に送達されたかを測定するように構成されてもよい。   FIG. 8 shows the cross section of FIG. 6 with the cavity 28 filled with delivery material 44 at the sample location. Embodiments relating to how the cavities may be filled are described in further detail below. The working electrodes 32 and 34 may be configured to set the concentration of the delivery material 44 and thereby measure how much material remains in the cavity and how much has been delivered to the sampling site. Good.

図13は、皮膚などの組織に接触している図8のセルを示す。該図は、その下に間質液が位置している鱗状角質層48及び生存表皮組織50を概略的に示すために簡略化されている。   FIG. 13 shows the cell of FIG. 8 in contact with tissue such as skin. The figure is simplified to schematically show the scaly stratum corneum 48 and the living epidermal tissue 50 under which the interstitial fluid is located.

図14は、関門組織及び空洞28を密封する薄膜の断裂後の、図13のセルの概略図を示す。浸透液路が設けられ、それにより、間質液54は、毛管力によりサンプリング部位に流出し、そこを浸すことが可能になる。送達材料44は、間質液中に混合するか又は溶解し、得られた高濃度勾配に因り断裂した角質層48を通って生存組織50へ戻り、そこから身体の他の部分へと拡散する。   FIG. 14 shows a schematic diagram of the cell of FIG. 13 after rupture of the membrane that seals the barrier tissue and cavity 28. An osmotic fluid path is provided so that interstitial fluid 54 can flow out into the sampling site by capillary force and be immersed therein. The delivery material 44 mixes or dissolves in the interstitial fluid, returns to the living tissue 50 through the stratum corneum 48 that has been ruptured due to the resulting high concentration gradient, and diffuses from there to other parts of the body. .

デバイス12上の個々のサンプリング部位を10マイクロメータ以下の大きさに設計することにより、細胞膜を局所的に断裂することによって個々の細胞の細胞内液を分析することができ、サンプリング装置表面からそれを解放する前に、治療用物質を細胞内に注入することができる。   By designing individual sampling sites on the device 12 to a size of 10 micrometers or less, the intracellular fluid of individual cells can be analyzed by locally rupturing the cell membrane, and from the surface of the sampling device The therapeutic substance can be injected into the cell prior to releasing.

前述の通り、ある実施形態では、空洞を密封する薄膜の断裂は、角質層の断裂を実現する電極及び/又は抵抗素子により生成される熱によって実現されてもよい。そのような実施形態では、熱溶解の裂開を作るために、薄膜は、基本的に、膜に裂け目が生じる点まで薄膜を溶かすことにより裂開されてもよい。別の実施形態では、空洞の薄膜は、薄膜を破裂させ、引き裂き、且つ/又はせん断するために薄膜に加えられる機械力により裂開されてもよい。そのような機械力は、例えば、空洞内に配置されている電極を用いて、電気分解により空洞内部に泡を発生させることにより生成されてもよい。泡形成に起因する空洞内部の圧力は薄膜を破裂させ、空洞28内にカプセル化されている材料44が裂開部分で空洞28から流出するのに十分高くなる可能性がある。薄膜を裂開して材料が空洞から出るための又は物質が空洞内に進入するための流路を作ることに関するそのような例は、決して、限定するものと見做されるべきではない。   As described above, in some embodiments, the tearing of the thin film that seals the cavity may be achieved by heat generated by the electrode and / or the resistive element that achieves the tearing of the stratum corneum. In such embodiments, to create a hot melt dehiscence, the thin film may be cleaved essentially by melting the thin film to the point where a fissure occurs in the film. In another embodiment, the hollow film may be cleaved by mechanical forces applied to the film to rupture, tear, and / or shear the film. Such mechanical force may be generated, for example, by generating bubbles inside the cavity by electrolysis using an electrode disposed in the cavity. The pressure inside the cavity due to foam formation can rupture the thin film and can be high enough for the material 44 encapsulated in the cavity 28 to flow out of the cavity 28 at the cleaved portion. Such examples relating to tearing the membrane and creating a flow path for material to exit the cavity or for material to enter the cavity should in no way be considered limiting.

製造
製造中、電極32上の電子伝導層は、標的生体分子を修飾する固定された酵素を用いて電気化学的に活性化されてもよい。例えば、グルコースが標的生体分子である場合、酵素はそれに限定されないがグルコース酸化酵素であってもよく、乳酸塩が標的生体分子である場合、酵素はそれに限定されないが乳酸オキシダーゼであってもよく、ビリルビンが標的生体分子である場合、酵素はビリルビン酸化酵素であってもよい。いくつかの実施形態では、電子伝導層は、抗体を用いて電気化学的に活性化されてもよい。特定の酵素及び抗体を用いて選択的電気化学的に電極を活性化することにより、同一のデバイス12上に配置されている異なるセル18は、異なる生体分子を検出するために構成されてもよい。
Manufacturing During manufacture, the electron conducting layer on the electrode 32 may be electrochemically activated using an immobilized enzyme that modifies the target biomolecule. For example, when glucose is the target biomolecule, the enzyme is not limited thereto, but may be glucose oxidase. When lactate is the target biomolecule, the enzyme may be, but is not limited to, lactate oxidase, If bilirubin is the target biomolecule, the enzyme may be bilirubin oxidase. In some embodiments, the electron conducting layer may be electrochemically activated using an antibody. Different cells 18 placed on the same device 12 may be configured to detect different biomolecules by selectively electrochemically activating electrodes with specific enzymes and antibodies. .

ある実施形態では、デバイス12は、多層高分子金属積層構造を備える可撓性のパッチ様チップであってもよく、構造層としてのSU−8、テフロン(登録商標)−エイエフ(Teflon−AF)剥離層、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリピロール(PPy)、及びグルコース酸化酵素(GOD)を使用して製造されてもよい。簡潔化のために、明確化のためにカプセル化及び保護膜の裂開特性のない、検出用電気化学的電極及び基準電気化学的電極を用いた角質層の断裂に使用される電極を組み合わせることを選択したデバイスの特定の実施形態を記載することとする。   In one embodiment, device 12 may be a flexible patch-like chip with a multi-layered polymer metal laminate structure, with SU-8, Teflon-AF as the structural layer. It may be manufactured using a release layer, polymethyl methacrylate (PMMA), polypyrrole (PPy), and glucose oxidase (GOD). For simplicity, combining electrodes used for tearing of the stratum corneum with a detection electrochemical electrode and a reference electrochemical electrode without encapsulating and protective membrane tearing properties for clarity A specific embodiment of a device that has been selected will be described.

ある実施形態では、サンプリング、分析及び化学物質送達デバイスの製造工程は、主要な構造材料としてSU8を使用し、全般的に5つの工程で構成されている。この工程は、高分子材料ポリジメチルシロキサン(PDMS)のために開発された早期の技術のサブセットである。第1の工程は、ガラス基板上でのテフロン(登録商標)剥離層の堆積であった。ガラス基板は、製造後に多層多高分子デバイスをガラスから容易に取り外すことを可能にする。SU8の薄層はスピン・コーティングすることにより形成され、デバイスの残りの部分に対して基層(10μ)としての機能を果たし、テフロン(登録商標)への接着をもたらした。製造工程の第3の工程は、厚い(150μの)SU8層をスピン・コーティングすることで構成されていた。この厚い層は、デバイスに構造的支柱をもたらした。クロム/金の電極/ヒータ金属化(0.5μ)は、厚いSU8(150μ)層の上面上にスパッタされ、蒸着され、且つパターン付けされた。次いで、10μのPMMAが、PPy及び酵素の選択的堆積のために保護層としてスピン・コーティングされた。電極パッドがPMMAによって被覆されるのを防止するために、PMMAスピン・コーティングの前に電極パッド上にテープが貼付され、PMMA焼付け工程前に除去された。PMMA層は、更に、電極の1つだけが曝露されその他の電極は被覆されるという方法で、選択的にプラズマ・エッチングされた。金属は、ポジ型フォトレジスト及び湿式化学エッチングを用いてパターン付けされた。スパッタ蒸着の前に、プラズマ表面処理を使用し、SU8と金属層との間の接着を向上させた。次いで、デバイスは、かみそり刃を使用してガラス基板から解放された。剥離層は、ペルフルオロ溶媒で希釈されたアモルファス・フルオロポリマー溶液をスピン・コーティングすることにより形成された。   In one embodiment, the sampling, analysis and chemical delivery device manufacturing process uses SU8 as the primary structural material and generally consists of five steps. This process is a subset of the early technology developed for the polymeric material polydimethylsiloxane (PDMS). The first step was the deposition of a Teflon release layer on the glass substrate. The glass substrate allows the multilayer multi-polymer device to be easily removed from the glass after manufacture. A thin layer of SU8 was formed by spin coating and served as a base layer (10μ) for the rest of the device, resulting in adhesion to Teflon. The third step in the manufacturing process consisted of spin coating a thick (150μ) SU8 layer. This thick layer provided structural struts for the device. A chrome / gold electrode / heater metallization (0.5μ) was sputtered, evaporated and patterned on top of a thick SU8 (150μ) layer. 10 μM PMMA was then spin coated as a protective layer for selective deposition of PPy and enzyme. To prevent the electrode pad from being covered by PMMA, tape was applied on the electrode pad prior to PMMA spin coating and removed prior to the PMMA baking process. The PMMA layer was further selectively plasma etched in such a way that only one of the electrodes was exposed and the other electrode was coated. The metal was patterned using positive photoresist and wet chemical etching. Prior to sputter deposition, a plasma surface treatment was used to improve the adhesion between SU8 and the metal layer. The device was then released from the glass substrate using a razor blade. The release layer was formed by spin coating an amorphous fluoropolymer solution diluted with a perfluorosolvent.

酵素原型であるグルコース酸化酵素(GOD)が、0.1Mの電解質溶液と共にポテンシオスタットを使用して、ポリピロール(PPy)層上に電気化学的に吸収された。0.1Mの電解質溶液は、PPy及びKClそれぞれを8Vで2分間処理したものである。0.1Mのヘキサシアノ鉄酸塩及び8001ユニット/mlのGOD(10mlのリン酸緩衝液中に18μlのGOD及び48μlのフェリシアン化カリウム(K3FeCN6))が、GOD堆積のために電解質溶液に更に添加された。フェリシアン化カリウムなどのレドックス電子メディエータ(redox electron mediator)は、電流転換を最大にすることにより、電気特性に関する得られる測定の感度を増大する。次いで、PPy+GODの選択的堆積が、サンプリング、分析及び化学物質送達デバイスのセルの露出した電極の1つ(図3)で行なわれる。クロノアンペロメトリック用量反応が記録され、その結果、センサは、2.9mA/mMの感度で0から10mMのグルコースと良好な直線性を有していたことが明らかになった。乳酸塩センサ・チップに関しては、GODを乳酸オキシダーゼで代用したことを除き、同一の工程が用いられた。   The enzyme prototype glucose oxidase (GOD) was electrochemically absorbed onto the polypyrrole (PPy) layer using a potentiostat with 0.1 M electrolyte solution. The 0.1 M electrolyte solution was obtained by treating PPy and KCl with 8 V for 2 minutes. 0.1 M hexacyanoferrate and 8001 units / ml GOD (18 μl GOD and 48 μl potassium ferricyanide (K3FeCN6) in 10 ml phosphate buffer) were further added to the electrolyte solution for GOD deposition. . Redox electron mediators such as potassium ferricyanide increase the sensitivity of the resulting measurements for electrical properties by maximizing current conversion. A selective deposition of PPy + GOD is then performed on one of the exposed electrodes of the sampling, analysis and chemical delivery device cell (FIG. 3). A chronoamperometric dose response was recorded, which revealed that the sensor had good linearity with 0-10 mM glucose with a sensitivity of 2.9 mA / mM. For the lactate sensor chip, the same process was used except that GOD was replaced with lactate oxidase.

前述の実施形態は、決して、限定することを意図するものではなく、例として提供するものである。他の材料及び工程を使用してデバイス12を作製することが検討される。更に、空洞28及び微小毛細管は、厚い支持層が成長した時に厚い支持層内に作製されてもよい。   The foregoing embodiments are in no way intended to be limiting, but are provided as examples. It is contemplated to make the device 12 using other materials and processes. Furthermore, the cavities 28 and microcapillaries may be made in the thick support layer when the thick support layer is grown.

微小毛細管を使用して、毛細管が何処に配置されているかに応じて、間質液及び/又は空洞内の材料などのサンプリングされる物質を操作してもよい。体液と界面をなしうるデバイス12の表面は、デバイス12における正確な制御された点で疎水性表面又は親水性表面を作るために、プラズマ表面処理及び/又は化学的表面処理により選択的に処理される。上記体液は、サンプリングされ且つ/若しくは分析される物質であるか、又は空洞28から送達される材料のいずれかである。例えば、SU−8、PDMS、シリコン、又はアルミニウムの表面上に親水性表面を作製するために、シラン誘導体を使用して表面を処理してもよく、金、銀、又は銅上に接触角の低い親水性表面を作るために、アルカン・チオールを使用して表面を処理してもよい。特定の材料の濡れ挙動及び移送能力を変更する方法のそのような例は、決して、限定することを意図するものではない。   Microcapillaries may be used to manipulate the sampled material, such as interstitial fluid and / or material within the cavity, depending on where the capillary is located. The surface of the device 12 that can interface with bodily fluids is selectively treated by plasma surface treatment and / or chemical surface treatment to create a hydrophobic or hydrophilic surface at precisely controlled points in the device 12. The The bodily fluid is either a substance to be sampled and / or analyzed, or a material delivered from the cavity 28. For example, to create a hydrophilic surface on the surface of SU-8, PDMS, silicon, or aluminum, the surface may be treated with a silane derivative, with contact angles on gold, silver, or copper. In order to create a low hydrophilic surface, the surface may be treated with alkane thiols. Such examples of methods of changing the wetting behavior and transfer capability of a particular material are in no way intended to be limiting.

ある実施形態では、デバイスのセルは、PDMSの3つの層を含み、それらは成形され、金属化され、結合される。本明細書ではデバイスの単一のセルだけが説明されるが、デバイスの他のセルが実質的に同一の方法で製造されてもよいことが理解される。PDMSの中間支持層は、空洞及び一対の微小毛細管を含む。PDMSの上層は空洞を密封するが、中間層の微小毛細管と実質的に一直線になっている一対の微小毛細管を含む。PDMSの底層は、空洞の底部を密封し、角質層の細胞を断裂するのに使用される電極及び抵抗素子、又は間質液活用のために角質層をアブレーションするように構成されている実施形態における発熱素子を含んでもよい。底層はまた、その他の層の微小毛細管と実質的に一直線になっている一対の微小毛細管を含んでもよい。   In some embodiments, the cell of the device includes three layers of PDMS that are molded, metallized and bonded. Although only a single cell of the device is described herein, it is understood that other cells of the device may be manufactured in substantially the same manner. The intermediate support layer of PDMS includes a cavity and a pair of micro capillaries. The upper layer of PDMS seals the cavity, but includes a pair of microcapillaries that are substantially aligned with the microcapillaries of the intermediate layer. Embodiments in which the bottom layer of the PDMS is configured to ablate the stratum corneum for electrode and resistance element or interstitial fluid utilization used to seal the bottom of the cavity and rupture the cells of the stratum corneum The heating element may be included. The bottom layer may also include a pair of microcapillaries that are substantially in line with the other layers of microcapillaries.

PDMSの各層に関しては、SU−8から作られる鋳型を使用して、空洞及び微小毛細管を作製してもよい。SU−8の鋳型は、一般に、ガラスなどの表面上にSU−8をスピン・コーティングし、ネガ型フォトレジストSU−8を、(空洞及び微小毛細管に対応する)特徴がその中にはっきりと示されている状態で露光し現像することにより作られてもよい。鋳型が作製されると、鋳型はプレス機で使用されてもよく、プレス機内部で鋳型にPDMSが塗布されてもよく、次いで、炉内で硬化されてもよい。硬化されると、PDMSはプレス機及び鋳型から取り外されてもよい。電極などのセルの他の特徴は、次に、PDMSの適切な層における金属化工程により作製されてもよい。PDMSの各層が適正な特徴を有した後、層は、微小毛細管が実質的に互いに一直線になるように結合されてもよい。   For each layer of PDMS, molds made from SU-8 may be used to create cavities and microcapillaries. The SU-8 mold is generally spin coated with SU-8 on a surface such as glass, and negative photoresist SU-8 is clearly shown in it (corresponding to cavities and microcapillaries). It may be made by exposing and developing in a state where it is applied. Once the mold is made, the mold may be used in a press, PDMS may be applied to the mold inside the press, and then cured in a furnace. Once cured, the PDMS may be removed from the press and mold. Other features of the cell, such as electrodes, may then be created by a metallization process in an appropriate layer of PDMS. After each layer of PDMS has the proper characteristics, the layers may be combined such that the microcapillaries are substantially in line with each other.

更に、SU−8及びPDMSなどの種々の高分子材料の層の作製中に、そのような層をガラス基板又は同様の基板から無変形解放するために、種々の材料の犠牲層が使用されてもよい。例えば、SU−8には、ポリスチレン、PDMSと共にポジ型フォトレジスト、及びアルミニウムを剥離層として使用してもよい。ポリスチレンをトルエン中に溶解し、それにより、SU−8層をガラス基板又は同様の基板から解放してもよい。ポジ型フォトレジストをアセトン中に溶解し、SU−8層を解放するために、PDMSを使用して該レジストがアセトンを吸収するのを補助してもよい。アルミニウムをエッチングして、SU−8層を解放してもよい。PDMSに関して、前述したSU−8の鋳型からPDMSを解放するために使用してもよい可能性のある犠牲剥離層は、フォトレジスト(解放のためにアセトンでエッチングされる)、アルミニウム(リン酸でエッチングされる)、銀(解放のためにK12エッチャント)、及び銅(解放のためにK12エッチャント)を含んでもよい。更に、サイトップ(CYTOP)(登録商標)などのフッ素重合体はまた、ポリマーの構造層を受容する表面を整え、それにより、ポリマーの剥離特徴を増強し、変形を最小限にするのに使用されてもよい。材料の犠牲層を使用すること及び/又は表面を整えることにより、対象構造層の変形は最小限になる可能性がある。   In addition, during the fabrication of layers of various polymeric materials such as SU-8 and PDMS, sacrificial layers of various materials are used to undeformally release such layers from glass substrates or similar substrates. Also good. For example, in SU-8, polystyrene, PDMS, positive photoresist, and aluminum may be used as a release layer. Polystyrene may be dissolved in toluene, thereby releasing the SU-8 layer from the glass substrate or similar substrate. PDMS may be used to assist the resist in absorbing acetone in order to dissolve the positive photoresist in acetone and release the SU-8 layer. Aluminum may be etched to release the SU-8 layer. With respect to PDMS, sacrificial release layers that may be used to release PDMS from the aforementioned SU-8 mold are photoresist (etched with acetone for release), aluminum (with phosphoric acid). Etched), silver (K12 etchant for release), and copper (K12 etchant for release). In addition, fluoropolymers such as CYTOP® may also be used to trim the surface that receives the structural layer of the polymer, thereby enhancing the peel characteristics of the polymer and minimizing deformation. May be. By using a sacrificial layer of material and / or trimming the surface, deformation of the target structural layer may be minimized.

当然、デバイス用セル製造の他の変形が用いられてもよく、前述した実施形態は、決して、限定することを意図するものではない。例えば、ポリオレフィン、ポリエステル、メタクリレート、及びポリイミドなどの比較的低い柔軟性係数を有する高分子材料、並びにポリカーボネート及びポリスチレンなどのより堅い高分子材料を含むがそれらに限定されないデバイスの任意の層に、他の高分子材料を使用してもよいことが検討される。   Of course, other variations of device cell fabrication may be used, and the above-described embodiments are in no way intended to be limiting. For example, any layer of the device, including but not limited to polymeric materials having relatively low flexibility factors such as polyolefins, polyesters, methacrylates, and polyimides, and stiffer polymeric materials such as polycarbonate and polystyrene, etc. It is contemplated that other polymeric materials may be used.

更に、作用電極は、前述のものに加わる技術を用いて作製されてもよい。例えば、支持層がデバイス用に作成された場合、支持層は、電気的接続で配線されてもよい(金属化により)。電気的接続は、支持層の正面側、側端側、又は背面側に配置されているゼロ挿入力(ZIF)コネクタから、電極の特定の所望の位置まで延びる。また、電極の金属成分は、電気的接続作成の前、最中、又は後に電着されてもよい。支持層の正面側、側端側、又は背面側に配置されているZIFコネクタは、次いで、デバイスのセルの特定の配置及び構成でプログラムされているコントローラに接続されてもよい。酵素又は抗体を含んでもよい特定の高分子材料に作用電極を曝露する時、コントローラは選択されたセルに信号を供給する。該選択されたセルは、電気的接続終端の特定の位置で、その特定の高分子材料を受容することになる。例えば、コントローラは、接地に対して特定の電気化学ポテンシャルを選択された電極に付与し、陽極即ち正電荷部位を作るようにする。次いで、選択された電極は、高分子マトリクスを材料とする被覆又は膜を電気化学的に成長させ、それにより、作用電極をカプセル化してもよい。該工程は、全ての作用電極が被覆されるまで、異なる高分子マトリクスで繰り返されてもよい。このことにより、デバイス全体の構成に基づき、各セルが特定の検出用被覆で被覆された電極を有することが可能になる。検出用被覆は、電気化学的電流、静電容量、抵抗、電圧様電位、又は起電力を含むがそれらに限定されない電気特性を感知するようになされてもよい。いくつかの実施形態では、単一デバイス上の全ての作用電極は、同じ被覆を有していてもよい。いくつかの実施形態では、作用電極の半分が1種類の被覆を有していてもよく、一方、もう半分が第2の種類の被覆などを有していてもよい。   Further, the working electrode may be made using techniques in addition to those described above. For example, if a support layer is created for the device, the support layer may be wired with electrical connections (by metallization). The electrical connection extends from a zero insertion force (ZIF) connector located on the front side, side edge side, or back side of the support layer to a particular desired location on the electrode. Also, the metal component of the electrode may be electrodeposited before, during or after making the electrical connection. ZIF connectors located on the front side, side edge side, or back side of the support layer may then be connected to a controller that is programmed with a particular arrangement and configuration of the device's cells. When exposing the working electrode to a particular polymeric material that may include an enzyme or antibody, the controller provides a signal to the selected cell. The selected cell will receive that particular polymeric material at a particular location of the electrical connection termination. For example, the controller applies a specific electrochemical potential to the selected electrode with respect to ground, creating an anode or positively charged site. The selected electrode may then be electrochemically grown with a coating or film made of the polymeric matrix, thereby encapsulating the working electrode. The process may be repeated with different polymer matrices until all working electrodes are coated. This allows each cell to have an electrode coated with a specific detection coating based on the overall device configuration. The sensing coating may be adapted to sense electrical properties including but not limited to electrochemical current, capacitance, resistance, voltage-like potential, or electromotive force. In some embodiments, all working electrodes on a single device may have the same coating. In some embodiments, half of the working electrode may have one type of coating, while the other half may have a second type of coating or the like.

デバイス全体が製造されると、電極を成長させるのに使用された同じ電気的接続はまた、物質が存在しその物質の電気特性が測定されてもよい場合、検出電極及び照合電極の全体に亘って電位を付与するのに使用されてもよい。電気特性には、電極を被覆するのに使用された高分子マトリクスに応じて、電流、静電容量、抵抗、電圧様電位、又は起電力が含まれてもよい。電気特性は、物質中の生体分子濃度、又はpHなどの物理化学的特性などの物質の特定の特性に相関があってもよい。   When the entire device is manufactured, the same electrical connections used to grow the electrodes also span the detection and reference electrodes if the material is present and the electrical properties of the material may be measured. May be used to apply a potential. Electrical properties may include current, capacitance, resistance, voltage-like potential, or electromotive force, depending on the polymer matrix used to coat the electrode. Electrical properties may be correlated to specific properties of the material, such as the concentration of biomolecules in the material, or physicochemical properties such as pH.

ある実施形態では、検出電極はその表面上にナノ構造を含むように成長し、電極の導電性を増大させてもよい。導電性ポリマーであるポリピロール(PPy)は、現在、ナノワイヤ及びナノチューブに使用されている材料である。ナノワイヤ及びナノチューブは、その高い環境安定性、電子伝導率、イオン交換能、及び生体適合性の理由で、電気化学的バイオセンサ及びナノ構造の基礎をなす。単一のナノチューブ構造又はナノワイヤ構造により生じる既に高い表面積対体積率をフルに生かし、ナノグラスに似たナノ構造膜が作製されている。Ppyは、テンプレート252の小孔250内部に電着される。テンプレートは、図26に示す酸化アルミニウム(アルミナ)などの犠牲テンプレート媒介材料から作製される。ナノワイヤ・アレイ254がPPyから成長した場合、犠牲テンプレート252は、エッチッグ又は任意の他の適切な工程によって取り外されてもよく、それにより、PPyナノチューブ256のアレイが電極の基層に残される。このナノテクスチャリング法を用いると、高分子鎖の配列が一貫して電線軸に沿っているので、ポリピロールが、嵩張ったPPy膜よりも高く良好な導電性能を生じ得ることが分かっている。   In certain embodiments, the detection electrode may be grown to include nanostructures on its surface, increasing the conductivity of the electrode. Polypyrrole (PPy), a conductive polymer, is a material currently used for nanowires and nanotubes. Nanowires and nanotubes form the basis for electrochemical biosensors and nanostructures because of their high environmental stability, electronic conductivity, ion exchange capacity, and biocompatibility. Taking full advantage of the already high surface area to volume ratio produced by a single nanotube or nanowire structure, nanostructured films resembling nanoglass have been made. Ppy is electrodeposited inside the small holes 250 of the template 252. The template is made from a sacrificial template media material such as aluminum oxide (alumina) shown in FIG. If the nanowire array 254 is grown from PPy, the sacrificial template 252 may be removed by etch or any other suitable process, thereby leaving an array of PPy nanotubes 256 in the electrode base layer. Using this nanotexturing method, it has been found that polypyrrole can yield better conductive performance than bulky PPy films, since the polymer chain alignment is consistently along the wire axis.

ナノ構造膜は、前述した方法に類似した方法により製造されてもよく、成長したPPyナノワイヤの制御されたマトリクス内にタンパク質を組み込むために、簡単で効率的な生体適合性環境を提供してもよい。生物活性分子(例えば、酵素、抗体、細胞、及びDNA)を含む導電性電気活性ポリマーは、バイオセンサ用途及び信号生成機構において広く使用されてもよい。導電性ポリマーでは、抗体−抗原(Ab−Ag)信号の生成及び分析に、パルス・アンペロメトリック検出及びインピーダンス分光法が最適であることが分かった。PPy電極は、抗ヒト血清アルブミン(抗HSA)を含む水溶液から研磨したPt又はAu電極上に単量体ピロールを定電流的に電解重合することにより調製された。サイクリック・ボルタンメトリー(CV)を用いると、抗体が組み込まれていない対照ポリピロールを用いても何の反応も得られない一方、HSAはこれらの抗HSA検出層と確実に相互作用することが分かった。ナノ構造の使用により、より大量の酵素及び受容体を固定することが可能になり、それにより、感度を増大させることが可能になる。   Nanostructured membranes may be manufactured by methods similar to those described above, providing a simple and efficient biocompatible environment for incorporating proteins into the controlled matrix of grown PPy nanowires. Good. Conductive electroactive polymers including biologically active molecules (eg, enzymes, antibodies, cells, and DNA) may be widely used in biosensor applications and signal generation mechanisms. For conductive polymers, pulse amperometric detection and impedance spectroscopy have been found to be optimal for generating and analyzing antibody-antigen (Ab-Ag) signals. The PPy electrode was prepared by electropolymerizing monomer pyrrole with constant current on a Pt or Au electrode polished from an aqueous solution containing anti-human serum albumin (anti-HSA). Using cyclic voltammetry (CV), it was found that no reaction was obtained using a control polypyrrole that did not incorporate the antibody, whereas HSA interacted reliably with these anti-HSA detection layers. . The use of nanostructures makes it possible to immobilize larger amounts of enzymes and receptors, thereby increasing sensitivity.

図26に示すスタンドアロンのPPyナノチューブ・アレイは、純粋なPpyナノワイヤ・アレイに関する可能性のある3つの懸念を回避する手段として構成された。第1に、その長さ(最長50,000nm)に起因して、且つ抗原に結合する固定された抗体により誘発された電界効果の故に、ナノワイヤ中に観察される大きな直列抵抗が存在し得るが、金のナノワイヤ・コアはこのことに影響を受けない。第2に、PPyの弾性係数(約80MPa)は、金(1.6GPa)より少なくとも1桁小さいので、金のコア構造はより堅く、処理中又はサンプリング中に崩壊しにくいか又は互いにくっ付きにくい。第3に、直列抵抗はまた、収集した電流を減少させ、且つその結果、検出感度を低下させることになる可能性があるが、処理中では、電気化学的蒸着中に、導電性ベース電極の近くではなく抗体をあまり受容しない端部のPPyナノ構造に移すことができる。   The stand-alone PPy nanotube array shown in FIG. 26 was configured as a means to circumvent three potential concerns with pure Ppy nanowire arrays. First, there may be a large series resistance observed in the nanowires due to its length (up to 50,000 nm) and due to the field effect induced by the immobilized antibody binding to the antigen. Gold nanowire cores are not affected by this. Second, because the elastic modulus of PPy (about 80 MPa) is at least an order of magnitude less than gold (1.6 GPa), the gold core structure is stiffer and less likely to collapse or stick to each other during processing or sampling. . Third, series resistance can also reduce the collected current and, consequently, the detection sensitivity, but during processing, during electrochemical deposition, the conductivity of the conductive base electrode It can be transferred to PPy nanostructures at the end that are not close but do not accept antibodies well.

代替の製造スキームは金属(Au)核を活用し、4つの工程に記載することができる。1)金膜上に、図26に示すテンプレートに類似した陽極アルミナ・テンプレートを形成する工程と、2)基礎をなす金の平坦膜電極からアルミナ小孔の小孔内に金を電着させる工程と、3)アルミナ・テンプレートを選択的にエッチングして金のナノワイヤを曝露し、それにより、図27に示す通り、全金属ナノ構造258を残す工程と、4)図28に示す通り、Ppy膜260の数枚のナノ層を全ての露出した金の表面に電着する工程。事実上、金のナノワイヤは導電性PPyナノチューブと電気的に平行に通るように組み込まれているので、この方法は、ナノチューブ内部の電子流のために設けられている抵抗経路を減らすことができる。ナノチューブと比較した場合、ナノワイヤのための抵抗経路が減少する効果があると考えられ、同一の印加電圧に対して、ナノワイヤに関してより大量の信号が存在するはずである。更に、より大量の信号は、デバイス12のバイオセンサの感度及び全体的な性能を改善する。この工程の別の変形は、Auをカーボン系ナノチューブに交換することができることである。該カーボン系ナノチューブは、標準的な成長工程を用いて基板上に垂直に蒸着されたものである。この後にはPpyの被覆が続く。この工程の考えられる1つの利点は、カーボン・ナノチューブは既に導電性であり、その整列した垂直の成長にいかなるテンプレートも必要としないことである。   An alternative manufacturing scheme utilizes metal (Au) nuclei and can be described in four steps. 1) a step of forming an anode alumina template similar to the template shown in FIG. 26 on a gold film, and 2) a step of electrodepositing gold into the small holes of the alumina small holes from the underlying flat gold film electrode. And 3) selectively etching the alumina template to expose the gold nanowires, thereby leaving all metal nanostructures 258 as shown in FIG. 27, and 4) a Ppy film as shown in FIG. Electrodepositing 260 nanolayers onto all exposed gold surfaces. In effect, since the gold nanowires are incorporated to run electrically parallel to the conductive PPy nanotubes, this method can reduce the resistance path provided for electron flow inside the nanotubes. When compared to nanotubes, there appears to be an effect of reducing the resistance path for the nanowire, and for the same applied voltage there should be a greater amount of signal for the nanowire. In addition, a larger amount of signal improves the sensitivity and overall performance of the biosensor of device 12. Another variation of this process is that Au can be exchanged for carbon-based nanotubes. The carbon-based nanotubes are vertically deposited on a substrate using a standard growth process. This is followed by Ppy coating. One possible advantage of this process is that the carbon nanotubes are already conductive and do not require any template for their aligned vertical growth.

ナノパターン化した電極を作製するのに使用してもよい他の製造技術は、検出チップ・デバイス製造と互換性のある、関連するが異なる技術に基づいている。検出チップ・デバイス製造は、(デバイス上にある又はデバイス上の1つの電極と外部逆電極との間にある2つの電極間の)誘電泳動、静電沈着、及び蒸着を含むがそれらに限定されない。そのように堆積された材料は、通常、分極ナノチューブ又は分極ナノワイヤである。一実施形態では、カーボン・ナノチューブは検出電極上に堆積されてもよく、検出電極間に平行に又は検出電極面に対して垂直にあるように配置されてもよい。検出電極上に堆積されているこれらのナノパターン化した材料は、それらが特定の受容体を使用して特定の検体を吸収/吸着した場合、2つの探査用電極間で大きな導電率変化を示す可能性がある。   Other manufacturing techniques that may be used to make nanopatterned electrodes are based on related but different technologies that are compatible with detection chip device manufacturing. Sensing chip device manufacturing includes, but is not limited to, dielectrophoresis, electrostatic deposition, and deposition (between two electrodes that are on the device or between one electrode on the device and the external reverse electrode). . The material so deposited is usually a polarized nanotube or a polarized nanowire. In one embodiment, the carbon nanotubes may be deposited on the detection electrodes and arranged to be parallel between the detection electrodes or perpendicular to the detection electrode plane. These nanopatterned materials deposited on the sensing electrode show large conductivity changes between the two probe electrodes when they absorb / adsorb specific analytes using specific receptors there is a possibility.

成形用PPYナノロッドに関して前述した関連する製造技術では、成形品PPYナノロッドを形成するために又はカーボン・ナノチューブを堆積するために、アルミニウムを含むがそれに限定されない極めて薄い金属フィラメントの一方の先端にパターン付けすることができる。得られる金属先端は、電線自体と一直線に配置されているナノ構造材料の高密度堆積物により被覆される。導線の他方の端部は、デバイスの制御部分及び通信部分に接続される。機械的に、この材料は柔軟で容易に変形可能である。電気的に、該材料は極めて伝導性である。以下で説明する神経学的用途では、ナノパターン化した電極材料は、軸策先端に自然に生じる線毛構造を模倣する。確かに、ナノパターン化した材料は、神経成長因子が固定されているPPYの薄層で被覆されてもよい。神経組織は、ナノパターン化した材料の方向に成長し、細胞が適正に無制限に生き、機能し、且つ良好な電気的接触が維持される方法で、ナノパターン化した材料に付着してもよい。   In the related manufacturing techniques described above for forming PPY nanorods, patterning is applied to one tip of a very thin metal filament, including but not limited to aluminum, to form molded PPY nanorods or to deposit carbon nanotubes. can do. The resulting metal tip is covered with a dense deposit of nanostructured material that is aligned with the wire itself. The other end of the conductor is connected to the control and communication portions of the device. Mechanically, this material is flexible and easily deformable. Electrically, the material is extremely conductive. In the neurological applications described below, the nanopatterned electrode material mimics the ciliary structure that naturally occurs at the axon tip. Indeed, the nanopatterned material may be coated with a thin layer of PPY to which nerve growth factor is immobilized. Neural tissue may grow in the direction of the nanopatterned material and attach to the nanopatterned material in such a way that the cells live and function properly and indefinitely and maintain good electrical contact. .

空洞の充填
図21は、空洞28を含むセルに関して、空洞28を満たす装置及び方法の実施形態を示す。空洞28は、前述した成形プロセスにより形成されてもよいか、又は厚い支持層(例えばSU8)80が、薄膜82を構成するPDMSなどの別の材料の層上にスピン・コーティングされる間に、同じく、少なくとも1つの毛細管孔84、好ましくは2つの毛細管孔が、それらが空洞28に対して平行に支持層80通って延びるように作製されてもよい。図21に示す通り、薄膜82もまた、実質的に支持基板80の毛細管孔84に合わせて配置した毛細管孔を含んでもよい。PDMSなどの高分子材料の別の層を密封層86として使用し、空洞28が材料供給部88からの材料で満たされた後に、空洞28をその上部で密封してもよい。前述した泡立て技術を用いて薄膜82を破裂させ、使用中に空洞28へのアクセスを実現する場合、密封層86もが破裂しないように、密封層86は薄膜82より厚いことが好ましい。
Cavity Filling FIG. 21 illustrates an embodiment of an apparatus and method for filling a cavity 28 for a cell that includes the cavity 28. Cavity 28 may be formed by the molding process described above, or while a thick support layer (eg, SU8) 80 is spin-coated on a layer of another material, such as PDMS, that makes up thin film 82. Similarly, at least one capillary hole 84, preferably two capillary holes, may be made such that they extend through the support layer 80 parallel to the cavity 28. As shown in FIG. 21, the thin film 82 may also include capillary holes that are substantially aligned with the capillary holes 84 of the support substrate 80. Another layer of polymeric material, such as PDMS, may be used as the sealing layer 86 to seal the cavity 28 on top of it after the cavity 28 is filled with material from the material supply 88. When the thin film 82 is ruptured using the above-described foaming technique to provide access to the cavity 28 during use, the sealing layer 86 is preferably thicker than the thin film 82 so that the sealing layer 86 does not rupture.

ある実施形態では、密封層86もまた、少なくとも1つの毛細管孔90を含む。該毛細管孔は、空洞28に供給されることになる材料がそこを通過して空洞28内に進入してもよいように、最初は空洞28に合わせて配置されている。ある実施形態では、密封層86は、図22に示す2つの毛細管孔を含み、該2つの毛細管孔は、支持層80の2つの毛細管孔84と同じ距離だけ離間している。密封層86の2つの毛細管孔が利用できることにより、空洞28の充填中にプッシュプル機構を使用するという選択肢が提供される。2つの毛細管孔の中の1つを材料のための入り口として使用してもよく、他方の毛細管孔を使用して、空洞28から余分な空気を除去してもよい。物質まで送達されることになる材料で空洞28を充填するために、材料供給部と毛細管孔との間にインターフェースが作られてもよい。   In certain embodiments, the sealing layer 86 also includes at least one capillary hole 90. The capillary holes are initially aligned with the cavity 28 so that the material to be supplied to the cavity 28 may pass therethrough and enter the cavity 28. In certain embodiments, the sealing layer 86 includes two capillary holes shown in FIG. 22 that are separated by the same distance as the two capillary holes 84 of the support layer 80. The availability of two capillary holes in the sealing layer 86 provides the option of using a push-pull mechanism during filling of the cavity. One of the two capillary holes may be used as an inlet for the material, and the other capillary hole may be used to remove excess air from the cavity 28. An interface may be created between the material supply and the capillary hole to fill the cavity 28 with material that will be delivered to the substance.

図21に示す通り、インターフェース92を設けて、空洞28を材料供給部88からの材料で充填するのを容易にしてもよい。インターフェース92は、レザーバ96及びその中に作られている毛細管孔98を備えるガラス・キャリア94、材料供給部88にインターフェースするように構成されている、ガラス・キャリア94の片面上に配置されている、PDMSなどの高分子材料層100、並びにサンプリング、分析及び送達デバイスの密封層86とインターフェースするように構成されているガラス・キャリア94の反対面上の剥離層102を含んでもよい。図示した通り、剥離層102もまた、密封層86の孔90と実質的に合わせて配置するように構成されている、それを貫通する少なくとも1つの毛細管孔104を含む。   As shown in FIG. 21, an interface 92 may be provided to facilitate filling the cavity 28 with material from the material supply 88. The interface 92 is disposed on one side of the glass carrier 94, which is configured to interface to a glass carrier 94 with a reservoir 96 and a capillary hole 98 made therein, a material supply 88. , A polymeric material layer 100, such as PDMS, and a release layer 102 on the opposite side of the glass carrier 94 that is configured to interface with the sealing layer 86 of the sampling, analysis and delivery device. As shown, the release layer 102 also includes at least one capillary hole 104 extending therethrough that is configured to be substantially aligned with the hole 90 of the sealing layer 86.

ガラス・キャリア94は、フォトエッチング可能なガラスであってもよく、ガラス・キャリア内のレザーバ96及び孔98はパウダー・ブラストにより作製される。ガラス・キャリア94の上面上に配置されている高分子材料100の層は、それを貫通する孔106を含む。図21の部分Aに示す通り、該層は、材料供給部88に接続されているホース110の端部にあるプラグ108を受容するように成形されている。このことは、空洞28が満たされる時に、プラグ110を確実に配置し、所定の位置に保持するのに役立つ可能性がある。   The glass carrier 94 may be a photo-etchable glass, and the reservoir 96 and the holes 98 in the glass carrier are made by powder blasting. The layer of polymeric material 100 disposed on the top surface of the glass carrier 94 includes a hole 106 therethrough. As shown in part A of FIG. 21, the layer is shaped to receive a plug 108 at the end of the hose 110 that is connected to the material supply 88. This can help to ensure that the plug 110 is positioned and held in place when the cavity 28 is filled.

高分子材料100の層は、レザーバ96を含むガラス・キャリア94の側部に結合されてもよく、高分子材料100の層内にある孔106をガラス・キャリア94内にあるレザーバ96に合わせて配置するようにしてもよい。これにより、材料供給部88により供給されることになる材料がレザーバ96を満たすことが可能になり、レザーバ96は、種々の層94、102、86それぞれにある孔98、104、90を通じて空洞28内に排出してもよい。   The layer of polymeric material 100 may be bonded to the side of the glass carrier 94 that contains the reservoir 96, with the holes 106 in the layer of polymeric material 100 aligned with the reservoir 96 in the glass carrier 94. It may be arranged. This allows the material to be supplied by the material supply 88 to fill the reservoir 96, which is a cavity 28 through holes 98, 104, 90 in the various layers 94, 102, 86, respectively. It may be discharged inside.

材料が空洞96に供給されると、デバイスの密封層86は、図21の部分Bに示す通り、支持層80に対して移動(例えば、滑動)して空洞28を密封するようにしてもよい。空洞28が確実に密封される位置まで密封層86が確実に移動するように、図21の部分Bに示す通り、密封層86の毛細管孔90は、支持層82の毛細管孔84に合わせて配置されてもよい。密封層86が正しい位置にある(例えば、空洞28が密封された)と判断されると、図21の部分Cに示す通り、密封層86は支持層80に結合されてもよく、次いで、インターフェース92から剥離されてもよい。   When material is supplied to the cavity 96, the sealing layer 86 of the device may move (eg, slide) relative to the support layer 80 to seal the cavity 28, as shown in portion B of FIG. . The capillary hole 90 of the sealing layer 86 is aligned with the capillary hole 84 of the support layer 82 as shown in part B of FIG. 21 to ensure that the sealing layer 86 moves to a position where the cavity 28 is securely sealed. May be. If it is determined that the sealing layer 86 is in place (eg, the cavity 28 is sealed), the sealing layer 86 may be coupled to the support layer 80 as shown in portion C of FIG. It may be peeled from 92.

前述した通り、1つのセル18の空洞28は、満たされ密封されてもよい。ある実施形態では、ガラス・キャリアは、全てのセル18へのチャネルを提供するように構成されてもよい。全てのセルは、同じデバイス12上に配置されている空洞28を含む。このように、空洞28は同時に満たされ密封されてもよい。図22〜24は、そのような構成の上面図を示す。具体的には、図22は、四角形で示されているレザーバ96及び円形で示されている高分子材料層内の孔106を備える単一の空洞28を示し、これにより、空洞28が満たされると、プラグ108が空洞28に対して何処に配置されるかを表している。同様に、図23は、同時に満たされている5つの空洞28を示し、図24は、同時に満たされている25の空洞28を示す。これらの図の各々では、レザーバ96と貫通孔98との間で材料を送るガラス・キャリア(図22〜24に図示せず)内のチャネル112は、空洞28の真上で終端する。同じく図22及び23に示す通り、支持層内にあり各空洞28に平行な2つの毛細管孔84がある。各図に2つのレザーバ96を示すが、前述した通り、レザーバの1つは、材料が空洞28に進入した時に排出される空気を受容するのに使用されてもよい。図示した実施形態は、決して、限定するものと見做されるべきではなく、空洞がいかにして材料で満たされ密封されるかに関する例として提供するものである。   As described above, the cavity 28 of one cell 18 may be filled and sealed. In certain embodiments, the glass carrier may be configured to provide a channel to all cells 18. All cells include a cavity 28 located on the same device 12. In this way, the cavity 28 may be filled and sealed at the same time. 22-24 show top views of such a configuration. Specifically, FIG. 22 shows a single cavity 28 with a reservoir 96 shown as a square and a hole 106 in the polymeric material layer shown as a circle, thereby filling the cavity 28. And where the plug 108 is located relative to the cavity 28. Similarly, FIG. 23 shows five cavities 28 being filled simultaneously, and FIG. 24 shows 25 cavities 28 being filled simultaneously. In each of these figures, a channel 112 in a glass carrier (not shown in FIGS. 22-24) that routes material between the reservoir 96 and the through hole 98 terminates just above the cavity 28. 22 and 23, there are two capillary holes 84 in the support layer and parallel to each cavity 28. Although two reservoirs 96 are shown in each figure, as described above, one of the reservoirs may be used to receive air that is exhausted as material enters the cavity 28. The illustrated embodiment is in no way to be considered limiting, but is provided as an example of how the cavity is filled and sealed with material.

例えば、密封層86が支持層80上に堆積されることなく、支持層80が剥離層102と直接インターフェースしてもよいことが検討される。そのような実施形態では、空洞28は満たされてもよく、空洞28が密封されてもよいように、支持層80がインターフェース92から剥離された後に密封層86は支持層80に貼付されてもよい。   For example, it is contemplated that the support layer 80 may interface directly with the release layer 102 without the sealing layer 86 being deposited on the support layer 80. In such embodiments, the cavity 28 may be filled and the sealing layer 86 may be applied to the support layer 80 after the support layer 80 is peeled from the interface 92 so that the cavity 28 may be sealed. Good.

コネクタ
簡略化のために、ここで、簡略化したシステムにおける制御機能のプロトタイプの実現について説明する。サンプリング、分析及び化学物質送達デバイス12の構成は、ゼロ挿入力(ZIF)コネクタに適合するように変更された。チップの厚さは、挿入の再現性のために150μm+/−10μmになるように調節され、コネクタ・パッドのピン配列は、300ピッチのジグザグ状のコネクタ位置に一致するように引抜き加工された。対象の身体に押し付けることができる平坦なコネクタ及びチップ表面を可能にする「底面」チップ接触子を作ることが望ましい。即ち、コネクタ本体には、水平面に皮膚との良好な平坦な接触を妨げる段差がない。他の実施形態では、チップ接触子は、デバイスの前面又は側面上に作られてもよい。コネクタの本体は、表面において1.8mm高さの、取り付け可能なデュアル・インライン・パッケージであり、正しく挿入されるとチップを所定の位置に嵌め込むZIFスライダ機構が装備されている。このことにより、サンプリング、分析及び化学物質送達デバイスのセンサ・チップをすぐに再現性良く変更することが可能になるが、複数の挿入を受容するのに且つ実験研究下での動物の通常の動きに起因するチップをソケットから引き出そうとする力に抵抗するのに、十分に頑丈であることが分かった。該部品は、17から91ピンの接触子の範囲に対応する種々の幅で作製されてもよい。我々の開発研究では、31及び61ピンに対応するものを使用した。例えば、61ピンのコネクタは、電線ケーブルに結合されてもよいか、又はコネクタは、可撓性の多導体カプトン(Kapton)・テープと共に使用されてもよい。統合システムにおいて、コネクタは、コントローラ本体に堅く接続されていてもよい。コネクタは、経済的な自動化した組立て及び製造のためのテープ及びオープンリール式パッケージの両方で利用可能である。
Connector For simplicity, the implementation of a prototype of control functions in a simplified system is described here. The configuration of the sampling, analysis and chemical delivery device 12 was changed to fit a zero insertion force (ZIF) connector. The chip thickness was adjusted to 150 μm +/− 10 μm for insertion reproducibility, and the connector pad pinout was drawn to match the 300 pitch zigzag connector position. It is desirable to create a “bottom” tip contact that allows a flat connector and tip surface that can be pressed against the subject's body. That is, the connector body does not have a step that prevents good flat contact with the skin on the horizontal plane. In other embodiments, the chip contacts may be made on the front or side of the device. The main body of the connector is a dual-in-line package that is 1.8 mm high on the surface and can be attached, and is equipped with a ZIF slider mechanism that inserts the chip into place when correctly inserted. This allows the sensor chip of the sampling, analysis and chemical delivery device to be quickly and reproducibly modified, but the normal movement of the animal to accept multiple insertions and under experimental studies It was found to be robust enough to resist the force of trying to pull the chip from the socket out of the socket. The parts may be made in various widths corresponding to a range of 17 to 91 pin contacts. In our development studies, those corresponding to pins 31 and 61 were used. For example, a 61-pin connector may be coupled to a wire cable or the connector may be used with a flexible multi-conductor Kapton tape. In the integrated system, the connector may be firmly connected to the controller body. Connectors are available in both tape and open reel packages for economical automated assembly and manufacturing.

ある実施形態では、コネクタは、次の方法で作製されてもよい。工程は、ポリイミド又はカプトンなどの可撓性材料から作られるコア基板で開始してもよい。コア基板は、通常、厚さ0.001インチ(1ミル=25ミクロン)であり、上面及び底面の両方に重ねられている薄い導電性銅膜(9ミクロン)を有する。図29及び30に示す通り、デバイス12は、1ミルの掃引幅を有するマイクロヒータ270を底面即ち皮膚面上に組み込んでもよい。図29及び30に272で表されている電気化学的検出電極は、ヒータ270と分離されてもよいが、極めて接近している。マイクロヒータ270に電流パルスを付与することによる角質層の断裂は、約130℃の温度を生成してもよく、この温度は、約30ミリ秒継続した場合、個々の角質層細胞を断裂させるのに十分であり、それにより、間質液が皮膚表面に出現することを可能にする。2つの電気化学的電極272の接近は、対象生体分子の特定の検出を可能にする。2つの電気化学的電極の1つは金であるが、他方は、いくつかの実施形態における生体分子酵素及びレドックス・メディエータ、又は他の実施形態における抗体を埋め込まれている電着ポリピロールを有する。底面誘電体層274は、自体を貫通して延びる複数の毛細管276を有してもよい支持基板278を支持する。銅層280は、支持基板278の上面上に堆積されてもよいが、別の銅層282は、誘電体層274の堆積の前に、支持基板278の底面上に堆積されてもよい。可撓性回路280の最上層は、結合パッド284を有してもよく、該結合パッドは、銅を用いて電気めっきされ、高い隆起即ちメサを提供してもよい。隆起284は、検出回路により確実な電気接続性を提供するのに役立つ。検出回路は、デバイス12の上面側隆起284に結合されてもよい第2の可撓性回路(図示せず)に統合されてもよい。サンプリング部位は、サンプリング中並びに電気化学的検出及び電気化学的堆積中(後工程)に、適正な電圧を印加するための接続配線を備えて、アレイ(例えば、図29に示す通り4×4)に配列されてもよい。図示した実施形態では、両面可撓性基板は、底面側に機能センサ及び相互接続配線を有する一方、最上面は、相互接続、及び別の可撓性基板に結合するための接触パッドを含む。図31は、デバイス12がどのように広い基板面積上を覆って配置されてもよいかを示す。広い面積は、約10インチ×12インチである。デバイス12の間にある太線は互いに接続され、デバイス分離の前に付与されることになる電荷のための共通ポイントを形成する。酵素で固定されている導電性ポリマーを含んでもよい、特定の後処理のための相互接続、及び電気化学的検出中に適切な電荷を付与するための相互接続も、同様に示されている。   In some embodiments, the connector may be made in the following manner. The process may begin with a core substrate made from a flexible material such as polyimide or kapton. The core substrate is typically 0.001 inch thick (1 mil = 25 microns) and has a thin conductive copper film (9 microns) superimposed on both the top and bottom surfaces. As shown in FIGS. 29 and 30, device 12 may incorporate a microheater 270 having a 1 mil sweep width on the bottom or skin surface. The electrochemical sensing electrode represented by 272 in FIGS. 29 and 30 may be separated from the heater 270, but is in close proximity. Rupture of the stratum corneum by applying a current pulse to the microheater 270 may produce a temperature of about 130 ° C., which, if continued for about 30 milliseconds, will rupture individual stratum corneum cells. Sufficient to allow interstitial fluid to appear on the skin surface. The proximity of the two electrochemical electrodes 272 allows specific detection of the target biomolecule. One of the two electrochemical electrodes is gold while the other has electrodeposited polypyrrole embedded with biomolecular enzymes and redox mediators in some embodiments, or antibodies in other embodiments. The bottom dielectric layer 274 supports a support substrate 278 that may have a plurality of capillaries 276 extending therethrough. The copper layer 280 may be deposited on the top surface of the support substrate 278, but another copper layer 282 may be deposited on the bottom surface of the support substrate 278 prior to the deposition of the dielectric layer 274. The top layer of the flexible circuit 280 may have a bond pad 284 that may be electroplated with copper to provide a high ridge or mesa. The ridge 284 helps provide reliable electrical connectivity by the detection circuit. The detection circuit may be integrated into a second flexible circuit (not shown) that may be coupled to the top ridge 284 of the device 12. The sampling site comprises an array (eg 4 × 4 as shown in FIG. 29) with connecting wires for applying the proper voltage during sampling and during electrochemical detection and deposition (post-process). May be arranged. In the illustrated embodiment, the double-sided flexible substrate has functional sensors and interconnect wiring on the bottom side, while the top surface includes interconnects and contact pads for coupling to another flexible substrate. FIG. 31 shows how the device 12 may be placed over a large substrate area. The large area is about 10 inches × 12 inches. The thick lines between the devices 12 are connected together to form a common point for the charge that will be applied prior to device isolation. Also shown are interconnections for certain post-treatments, which may include conducting polymers immobilized with enzymes, and interconnections for imparting an appropriate charge during electrochemical detection.

制御デバイス及び通信デバイス
コントローラ14は、一般に、2つの部分で構成されている。第1は、コンピュータインターフェース無線データ収集システムであり、該システムは、64の遠隔センサ・ノードまでアドレス指定することができ、各ノードの認証を管理することができると同時に、各ノードにそのメモリ・バッファの内容を問い合わせることができる。第2の部分はセンサ・ノードである。センサ・ノードは、(一意の認証を用いる)RF通信、マイクロプロセッサ・コントローラ、マルチプレクサ、アナログ回路電源及びA/D変換器、並びに複数のセンサ入力などの5つの機能部分で構成されている。マイクロプロセッサは特定の用途のためにプログラムされてもよい。アナログ回路、マルチプレクサ、及び入力線は、該システムに使用される特定のデバイスに対して特別に構成されてもよい。通信の範囲は、約300m以上であってもよい。リアルタイムで、コントローラ14は、サンプリング、電気化学的分析、並びに結果及び化学的放出の継続的なロギングを実施するのに必要とされる必要な一連の電気信号を計算する。
The control device and communication device controller 14 is generally composed of two parts. The first is a computer interface wireless data collection system that can address up to 64 remote sensor nodes and can manage the authentication of each node while at the same time each node has its memory You can query the contents of the buffer. The second part is the sensor node. The sensor node consists of five functional parts such as RF communication (using unique authentication), microprocessor controller, multiplexer, analog circuit power supply and A / D converter, and multiple sensor inputs. The microprocessor may be programmed for a specific application. Analog circuitry, multiplexers, and input lines may be specially configured for the specific devices used in the system. The range of communication may be about 300 m or more. In real time, the controller 14 calculates the necessary series of electrical signals required to perform sampling, electrochemical analysis, and continuous logging of results and chemical emissions.

通信デバイス16は、システムを識別すること、呼掛け機の同定を行うこと、記憶された情報を伝送すること、制御プログラムの再構成を可能にすることを含む種々の動作を実行するために、外部デバイスが制御デバイス14に問い合わせることを可能にする。再構成は、デバイス12表面上のいくつかのサンプリング・セル18を開いて、同一の検体若しくは複数の異なる検体に関して同時に試験すること、又は化学的放出の増大、減少、若しくは停止を選択すること、又は測定される濃度における検出される安定性若しくは急激な変化が原因でサンプリング頻度を変更すること、又は角質層の断裂に使用されるパルスの詳細を調節すること、を含むと考えられる。予測される何週間もの監視の後、電気化学検出セル18は全て使い果たされてもよいか、又はカプセル化がすべて開かれ、使い捨てのサンプリング、分析及び送達デバイス12が必ず廃棄され、同一の構成又は異なる構成の別のデバイスがシステム10内に挿入されるようにしてもよい。   The communication device 16 performs various operations including identifying the system, identifying the interrogator, transmitting stored information, and allowing reconfiguration of the control program. Allows an external device to query the control device 14. Reconfiguration can open several sampling cells 18 on the surface of the device 12 and test simultaneously on the same analyte or multiple different analytes, or choose to increase, decrease or stop chemical release, Or it may include changing the sampling frequency due to a detected stability or abrupt change in the measured concentration, or adjusting the details of the pulses used to rupture the stratum corneum. After an anticipated number of weeks of monitoring, the electrochemical detection cell 18 may all be used up, or all encapsulations may be opened and the disposable sampling, analysis and delivery device 12 must be discarded and the same Another device with a configuration or a different configuration may be inserted into the system 10.

図20は、コントローラ14及び通信デバイス16のいくつかの構成要素を示すブロック図である。システム10では、試験下の材料、体液、又は組織が、サンプリング、分析及び送達デバイス12と相互作用する。該デバイスは、使い捨てで、取外し可能で、製造構成可能であってもよい。コントローラ・デバイス14の構成要素は、コネクタ・デバイス、マルチプレクサ、電気化学的ポテンシオ−ガルバノ−スタット、断裂電流検出回路及び駆動回路、コントローラ、測定用マイクロプロセッサ、論理、適応的シークエンシング、データ記憶、動的再構成及びインターフェース・ドライバを提供すること、並びに電圧調節及び電池充電・電池放電のための電力管理を含んでもよい。通信デバイス16の構成要素には、受信アンテナ、無線通信モジュール、RF電力管理、及び電池の電力貯蔵が含まれてもよい。   FIG. 20 is a block diagram illustrating some components of the controller 14 and the communication device 16. In the system 10, the material, body fluid, or tissue under test interacts with the sampling, analysis and delivery device 12. The device may be disposable, removable and manufacturing configurable. The components of the controller device 14 are a connector device, a multiplexer, an electrochemical potentio-galvano-stat, a break current detection circuit and a drive circuit, a controller, a measurement microprocessor, logic, adaptive sequencing, data storage, operation And providing power management for voltage regulation and battery charging / discharging. Components of the communication device 16 may include a receive antenna, a wireless communication module, RF power management, and battery power storage.

コントローラ14及び通信デバイス16が、同一デバイス内部に配置されている1つの統合システムであってもよいこと、又はコントローラ及び通信デバイスが、配線を介して若しくは無線で相互作用する別個のデバイスであってもよいことが検討される。前述した実施形態は、決して、限定することを意図するものではない。   The controller 14 and communication device 16 may be a single integrated system located within the same device, or the controller and communication device are separate devices that interact via wires or wirelessly. It is considered good. The embodiments described above are in no way intended to be limiting.

図19は、行アドレス指定及び列アドレス指定を使用するセル要素の無作為アドレス指定を示す。アドレス方法は、列アドレス導電性パス60、行アドレス導電性パス62、及び個々にアドレス指定されたサンプリング、分析及び送達セル64を含む。この方法は、図2に示すコントローラに接続されている自体の導電性パスを各セルが有する並列アドレス指定の代わりに使用される。例えば、32行及び32列のマトリクスに組織されている1024個のセルを、64ビットのコネクタによりコントローラに順次アドレス指定することができる。コントローラの32の接続が行アドレスに対して、32が列アドレスに対して存在する。サンプリング及び分析を同時に実施するために、コントローラは、試料分析セルと送達セルとの間で継続的に切り換わる必要がある。   FIG. 19 shows random addressing of cell elements using row addressing and column addressing. The addressing method includes a column address conductive path 60, a row address conductive path 62, and individually addressed sampling, analysis and delivery cells 64. This method is used instead of parallel addressing where each cell has its own conductive path connected to the controller shown in FIG. For example, 1024 cells organized in a matrix of 32 rows and 32 columns can be sequentially addressed to the controller by a 64-bit connector. There are 32 connections for the controller for row addresses and 32 for column addresses. In order to perform sampling and analysis simultaneously, the controller needs to continuously switch between the sample analysis cell and the delivery cell.

システムの実施形態を使用する用途の例
ある実施形態では、前述したシステム10は、糖尿病を監視し治療するように構成されてもよい。1型糖尿病(T1DM)は、インスリン生成膵臓ベータ細胞の破壊に起因する自己免疫疾患である。血糖を管理するために、T1DMを持つ患者は、複数の日常的なインスリン注射を受けるか、又はインスリン・ポンプを使用して日に数度はグルコース濃度をチェックしなければならない。新しい改善された治療にも関わらず、研究により厳しい血糖管理が糖尿病の二次性合併症の発症を減少させることが示されているにも関わらず、正常血糖を達成することは困難である。一貫した正常血糖の限界の1つは、グルコース濃度を測定するための現在患者に利用可能な技術である。体液(例えば、血の汗、涙)を収集し、グルコース監視のために光学的、電気化学的、及び分光的方法でそれらを分析するためのたくさんの競合する技術がある。しかし、全てが様々な程度及びタイプの侵襲性を有する。これまでに開発された利用可能な方法と著しく対照的に、この用途における記載した手法は、間質液の動的サンプリングと相まって、表面的な且つ高度に制御された侵襲性(微温及び皮膚の顕微鏡用切片の電界アシスト断裂)を伴うのみである。
Example Applications Using System Embodiments In certain embodiments, the system 10 described above may be configured to monitor and treat diabetes. Type 1 diabetes (T1DM) is an autoimmune disease resulting from the destruction of insulin-producing pancreatic beta cells. To manage blood glucose, patients with T1DM must receive multiple daily insulin injections or check the glucose concentration several times a day using an insulin pump. Despite new and improved treatments, normoglycemia is difficult to achieve despite studies showing that strict glycemic control reduces the incidence of secondary complications of diabetes. One consistent normoglycemic limit is the technology currently available to patients to measure glucose concentrations. There are many competing techniques for collecting body fluids (eg, blood sweat, tears) and analyzing them with optical, electrochemical, and spectroscopic methods for glucose monitoring. However, all have varying degrees and types of invasiveness. In marked contrast to the available methods developed so far, the approach described in this application, coupled with dynamic sampling of interstitial fluid, is a superficial and highly controlled invasiveness (micro-temperature and cutaneous). Only with electric field-assisted tearing of the microscope section).

一次測定標的はグルコースであり、二次標的はグリコシル化ヘモグロビン及びグリコシル化タンパク質、インスリン、及びコレステロールである。皮膚の断裂は、約10ナノリットルの間質液が、毛細管力に補助されて角質層の表面に拡散することを可能にする。血液中及び間質液中のグルコース濃度は、平均約90mg/dlであり危険なほど低い40mg/dlから高い方は600mg/dlまで変化し、10年以上になると糖尿病患者となり、遥かに低ければ健常者となる。間質液の低侵襲サンプリングは、身体のいくつかの部位、最も都合が良い内腕又は脚、及び体幹の部分の任意の一箇所で実施される。接着剤は可撓性デバイス12を、サンプリングを目的とする領域に接触した状態に保持してもよい。少量の間質液を空洞18の1つにカプセル化することができ、後続の分析のためにそこに保存することができる。試料の修飾を行なう必要はない。各電気化学的分析は、約10秒後に完了する。正確さを向上させ統計的測定の不確実性を証明するために、3つ以上の分析が平行して行なわれてもよい。角質層の断裂は、定期的な加熱及び電圧パルスを用いて何時間も維持されてもよく、この時間枠内に随意に、測定が正確に実施されてもよい。角質層内外の濃度を平衡化する時間は、極めて短い拡散経路(<50ミクロン)が原因でほぼ数秒程度である。   The primary measurement target is glucose and the secondary targets are glycosylated hemoglobin and glycosylated protein, insulin, and cholesterol. Rupture of the skin allows about 10 nanoliters of interstitial fluid to diffuse to the stratum corneum surface with the aid of capillary forces. The glucose concentration in the blood and interstitial fluid averages about 90 mg / dl and changes from a dangerously low 40 mg / dl to a high one of 600 mg / dl. Become a healthy person. Minimally invasive sampling of interstitial fluid is performed at any one of several parts of the body, the most convenient inner arm or leg, and the trunk. The adhesive may hold the flexible device 12 in contact with the area intended for sampling. A small amount of interstitial fluid can be encapsulated in one of the cavities 18 and stored there for subsequent analysis. There is no need to modify the sample. Each electrochemical analysis is completed after about 10 seconds. More than two analyzes may be performed in parallel to improve accuracy and prove statistical measurement uncertainty. Rupture of the stratum corneum may be maintained for hours using periodic heating and voltage pulses, and optionally measurements can be performed accurately within this time frame. The time to equilibrate the concentration inside and outside the stratum corneum is on the order of seconds due to the very short diffusion path (<50 microns).

別の実施形態では、監視デバイス12は、問題の検体の較正試料をデバイス空洞18内に保存するように構成されてもよい。制御及び通信システムの命令で該較正試料を放出し測定することができ、測定の正確性を更に向上させることができる。   In another embodiment, the monitoring device 12 may be configured to store a calibration sample of the analyte of interest in the device cavity 18. The calibration sample can be released and measured at the command of the control and communication system, and the accuracy of the measurement can be further improved.

別の実施形態では、監視デバイス12は、制御及び通信システムの命令で1つずつ放出することができるヒト・インスリンなどの薬剤(約1単位の投与量)を、乾燥粉末形態又は水溶形態のどちらかで、複数のデバイス空洞18内に保存するように構成されてもよい。薬剤の投与及び送達の決定は、医療従事者、個々の患者が行なってもよく、又は自動的に行なわれてもよい。後者の構成は閉ループ制御と呼ばれる。命令及び制御システム14が特定の範囲内にグルコースを維持するように構成され、且つグルコース監視デバイスが高血糖を検出した場合、ある順序でインスリンが投与されてもよい。第1に、特定の1つの空洞を開くことにより部分投与量を投与し、1単位のインスリンを解放する。数分後、高血糖が持続した場合、完全な投与量が投与されるまで第2の部分投与量が投与されるなどする。このパルス機構は健康な膵臓の機構を模倣して、上昇するグルコース濃度に対応して血流中にインスリンを放出する。パルス薬剤送達に対する観察された反応に基づいて完全な投与量を変更することが可能であり、自分で治療する糖尿病患者のインスリンに対する個々の反応が日々変化する場合、彼らも同様に行なう必要がある。   In another embodiment, the monitoring device 12 delivers a drug (such as about 1 unit dose), such as human insulin, that can be released one at a time under control and communication system commands, either in dry powder form or in water form. However, it may be configured to be stored in a plurality of device cavities 18. Drug administration and delivery decisions may be made by medical personnel, individual patients, or automatically. The latter configuration is called closed loop control. If the command and control system 14 is configured to maintain glucose within a certain range and the glucose monitoring device detects hyperglycemia, insulin may be administered in a certain order. First, a partial dose is administered by opening one particular cavity, releasing one unit of insulin. If hyperglycemia persists after several minutes, the second partial dose is administered until the complete dose is administered, and so on. This pulse mechanism mimics the mechanism of a healthy pancreas and releases insulin into the bloodstream in response to increasing glucose concentrations. It is possible to vary the complete dose based on the observed response to pulsed drug delivery, and if the individual response to insulin in diabetic patients being treated on a daily basis changes, they must do the same .

ある実施形態では、システムは、新生児のビリルビン濃度を監視するために構成されてもよい。ビリルビンは、ヘモグロビンの通常の分解中に形成される、身体の自然発生有毒老廃物である。ヘモグロビンは、赤血球中にある鉄含有酸素運搬呼吸系タンパクである。通常、新生児は赤血球破壊率が高く、特に生後最初の数日中に上昇する。この高い率は、十分に発達していない新生児の器官の代謝能力を圧倒する可能性がある。高い赤血球破壊率は、通常、ビリルビン濃度を上昇させ、これにより、新生児が黄疸にかかる可能性がある。新生児の異常に高いビリルビン濃度は、脳性麻痺、難聴、及び他の身体異常をもたらす可能性がある。極端な場合には、高濃度のビリルビンを治療しないことが死を引き起こす可能性さえある。従って、ビリルビンの異常濃度をなるべく早く検出し治療することが望ましい。現在、ビリルビンは、血液試料を静脈から又は踵レーシング(lacing)を介して採取することにより測定される。新生児におけるそのような侵入的サンプリング方法論は、著しい不快を生じることがあるので望ましくない。新生児のビリルビン濃度を測定するために前述したシステムを構成することにより、非侵入的方法が提供されてもよい。該非侵入的方法は、新生児が退院した後に新生児の親が施してもよい。   In certain embodiments, the system may be configured to monitor a newborn's bilirubin concentration. Bilirubin is a naturally occurring toxic waste product of the body that is formed during the normal breakdown of hemoglobin. Hemoglobin is an iron-containing oxygen-carrying respiratory protein found in red blood cells. Neonates usually have a high rate of erythrocyte destruction, especially during the first few days after birth. This high rate can overwhelm the metabolic capacity of underdeveloped neonatal organs. A high erythrocyte destruction rate usually increases the bilirubin concentration, which can cause the newborn to have jaundice. Neonatal abnormally high bilirubin concentrations can lead to cerebral palsy, hearing loss, and other physical abnormalities. In extreme cases, not treating high levels of bilirubin can even cause death. Therefore, it is desirable to detect and treat an abnormal concentration of bilirubin as soon as possible. Currently, bilirubin is measured by taking a blood sample from a vein or via sputum lacing. Such invasive sampling methodologies in neonates are undesirable because they can cause significant discomfort. By configuring the system described above to measure neonatal bilirubin concentration, a non-invasive method may be provided. The non-invasive method may be performed by the newborn parent after the newborn is discharged.

そのようなシステムにおいては、物質において測定される標的生化学物質はビリルビンであり、デバイスの作用導電性電極は、例えば誘導ポリピロール(Ppy)の高分子マトリクス内部に、ビリルビン酸化酵素などの固定された生体認識分子を含むように構成されている。ビリルビン酸化酵素は、ビリルビンに曝露された場合に正イオンの生成をもたらす酸化剤であるため、局所的ポテンシャルのシフトが生じる。シフトは、作用電極に接触してくる物質に存在するビリルビン濃度に比例する。前述した電気化学的セルはこのポテンシャルのシフトを検出してもよく、コントローラに信号を供給してもよい。センサが較正されると、セルからの信号に基づき、コントローラは物質中にどのくらいの量のビリルビンがあるのかを判定できるようになる。   In such a system, the target biochemical to be measured in the substance is bilirubin, and the working conductive electrode of the device is immobilized within a polymer matrix of, for example, induced polypyrrole (Ppy), such as bilirubin oxidase. It is comprised so that a bio-recognition molecule may be included. Since bilirubin oxidase is an oxidizing agent that results in the production of positive ions when exposed to bilirubin, a local potential shift occurs. The shift is proportional to the concentration of bilirubin present in the substance coming into contact with the working electrode. The electrochemical cell described above may detect this potential shift and provide a signal to the controller. Once the sensor is calibrated, based on the signal from the cell, the controller can determine how much bilirubin is in the substance.

ある実施形態では、システム10は、その燃料資源を効率的に利用する人体の能力を監視するように構成される。任意の種類の活動において筋肉により使用される実際のエネルギー源はATP(アデノシン三リン酸)であり、ATPは、それぞれ、好気的又は嫌気的に即ち酸素を用いて又は酸素を用いずに、生成することができる。無酸素エネルギー源は、通常は運動の開始時に、且つ運動強度が有酸素源を使用する利用可能な酸素供給で耐えられる運動強度より大きくなった場合に使用される。このことが生じる点は「無酸素性作業閾値」と呼ばれ、該閾値は運動/行動の強度により定められ、身体がその酸素必要性の全てを満たすことができないことに因り、血中乳酸濃度が該閾値を超えて劇的に上昇する。リン酸塩系及び乳酸塩系は、無酸素系における2つのエネルギー源である。リン酸塩系は短時間のエネルギー爆発のため、乳酸塩系は強い長時間の行動のためのものである。乳酸塩系は、筋肉中及び血液中に保存されている糖を使用するが、前者は後者より前に利用されることが多い。グルコースの嫌気性分解は、筋肉中に乳酸の形成をもたらすが、酸素の存在下では、乳酸は容易にATPに変換されて燃料になる。従って、乳酸が完全に酸化されてより多くのATPを作るのに十分な程度に運動強度が低い場合、乳酸は蓄積されない可能性がある。生成率が除去率を超過する場合、乳酸が蓄積し始め、血流のpH値(酸性度)が上昇し、筋肉は適正に機能せず、お馴染みの「消耗」を呈示し始める。高度に訓練されたアスリートにとって又はより多くのレジャー愛好家にとって、最高のパフォーマンスを低減することなくスタミナを監視することが望ましい場合がある。   In some embodiments, the system 10 is configured to monitor a human body's ability to efficiently utilize its fuel resources. The actual energy source used by muscles in any kind of activity is ATP (adenosine triphosphate), which is aerobic or anaerobic, i.e. with or without oxygen, respectively. Can be generated. An oxygen-free energy source is typically used at the start of exercise and when the exercise intensity is greater than that which can be tolerated by an available oxygen supply using an aerobic source. The point at which this occurs is called the “anoxic work threshold”, which is determined by the intensity of exercise / behavior, and because the body is unable to meet all its oxygen needs, Rises dramatically above the threshold. Phosphate and lactate systems are two energy sources in the anoxic system. Phosphate systems are for short-term energy explosions, while lactate systems are for strong long-term behavior. The lactate system uses sugars stored in muscle and blood, but the former is often utilized before the latter. Anaerobic degradation of glucose results in the formation of lactic acid in the muscle, but in the presence of oxygen, lactic acid is easily converted to ATP and fueled. Therefore, lactic acid may not accumulate if the exercise intensity is low enough to oxidize the lactic acid completely to make more ATP. If the production rate exceeds the removal rate, lactic acid begins to accumulate, the blood flow pH value (acidity) rises, the muscles do not function properly and begin to exhibit the familiar “depletion”. For highly trained athletes or for more leisure enthusiasts, it may be desirable to monitor stamina without reducing maximum performance.

グルコース及び乳酸塩の両方の検出部位を組み込むデバイス12の実施形態を使用することにより、システム10を使用して、無酸素性作業閾値を侵害することなく、ユーザの最大出力を監視してもよい。デバイス(図1参照)と通信している制御及び通信デバイス14、16は、個人のグルコース濃度及び乳酸塩濃度に関する情報をそれらのアイ・ピー・オー・ディー(IPOD)(登録商標)、携帯情報端末(PDA)、又は携帯電話に中継するように、且つ無酸素性作業閾値に関してユーザのエネルギー出力を追跡する図式的表示を示すように構成されてもよい。デバイス12は、運動業界及び食品業界での用途、プロ及びオリンピック代表レベルのアスリートによる用途、強いエネルギー出力を必要とする職業(例えば、消防士、建設作業員等)における用途のために継続的非侵襲的非侵入的な監視を提供してもよく、動物即ち運動動物(競走馬及び競争犬)及び作業動物の両方に関する用途に供されてもよい。間質液中の拡散ガスを検出するように構成されているセンサ・セルを含む前述したデバイス12を使用することにより、pO2濃度もまた直接監視されてもよい。また、そのようなセンサ・セルからの出力信号が、独立した酸素濃度計と組み合わされてもよい。酸素濃度計は、その出力をリアルタイムでコントローラ14及び通信デバイス16に伝達する。更に、アスリートにおける冠動脈の兆候を監視することにより(例えば、C反応性タンパク質及び/又はホモシステインを監視することにより)、チームのトレーナ及び医師が危険な状態に気を付けていることを可能にすると考えられる。死亡又は重傷を生じる前に、チームの医療従事者にライバルを引っ込めるように注意を喚起することができると考えられる。更に、ステロイドなどの薬剤を試験することは、アスリートにとって健康上の利点がある。   By using an embodiment of the device 12 that incorporates both glucose and lactate detection sites, the system 10 may be used to monitor the user's maximum output without compromising the anaerobic threshold. . The control and communication devices 14, 16 in communication with the device (see FIG. 1) provide information regarding the individual's glucose and lactate concentrations to their IPOD (registered trademark), portable information. It may be configured to relay to a terminal (PDA) or mobile phone and to show a graphical display that tracks the user's energy output with respect to anaerobic threshold. The device 12 is not intended for continuous use for applications in the athletic and food industries, professional and Olympic athletes, and occupations that require strong energy output (eg, firefighters, construction workers, etc.). Invasive non-intrusive monitoring may be provided and may be used for both animals, ie, motion animals (racing horses and race dogs) and work animals. By using the device 12 described above that includes a sensor cell configured to detect diffusion gases in the interstitial fluid, the pO2 concentration may also be monitored directly. Also, the output signal from such a sensor cell may be combined with an independent oximeter. The oximeter transmits its output to the controller 14 and the communication device 16 in real time. In addition, monitoring coronary signs in athletes (eg, monitoring C-reactive protein and / or homocysteine) allows team trainers and physicians to be aware of dangerous situations I think that. It may be possible to alert the team's health care workers to withdraw rivals before death or serious injury. In addition, testing drugs such as steroids has health benefits for athletes.

人のグルコース濃度の測定に基づき、個人の覚醒状態と疲労状態の間に直接相関が存在することが分かっている。実は、この論争は慢性疲労症候群(CFS)に関して起こった。慢性疲労症候群は、任意の他の内科的疾患又は精神疾患に起因しない、6か月以上続く消耗性持続性の疲労及びエネルギー喪失の発症を特徴とする。グルコースが特定の種類のグルコース検出ニューロンを阻害することが分かっている。該ニューロンはオレキシンと呼ばれる微小タンパク質を産生し、該タンパク質は意識状態の中心的調節因子である。オレキシン・ニューロンの点火機構が、主にグルコースの極めて微妙な変化に因り影響を受けた場合、このことは、覚醒、ナルコレプシー、及び更には肥満の状態の変化に繋がる可能性がある。このことは、グルコースによるオレキシン細胞の変調がより広範な行動役割を有し、覚醒レベル及び意識レベルにおける継続的日常的な再調整に寄与する可能性を高める。前述したデバイス12の実施形態は、グルコース濃度を非侵入的に監視することによりCFSへの臨床的洞察を提供する可能性があること、及び一般市民における急迫疲労の早期警戒指標としての用途に供されてもよいことが検討される。このことにより、注意を怠らないことが最重要である職業に応用されると考えられる。該職業は、例えばとりわけ、軍人、職業パイロット、スクール・バスの運転手、トラック運転手、航空管制官などである。ある実施形態では、前述のシステム10はまた、警報器を含んでもよい。個人を監視するのに使用されているデバイス12が、個人のグルコース濃度が疲労してきていることを示す濃度に達したことを検出した場合、該警報器は、個人を即応状態に保つように始動してもよい。   Based on measurements of a person's glucose concentration, it has been found that a direct correlation exists between an individual's arousal state and fatigue state. In fact, this debate has occurred with respect to chronic fatigue syndrome (CFS). Chronic fatigue syndrome is characterized by the onset of debilitating persistent fatigue and energy loss that lasts more than 6 months and is not due to any other medical or psychiatric disorder. It has been found that glucose inhibits certain types of glucose sensing neurons. The neurons produce a microprotein called orexin, which is a central regulator of consciousness. If the orexin neuron firing mechanism is affected primarily by very subtle changes in glucose, this can lead to changes in arousal, narcolepsy, and even obesity status. This raises the possibility that modulation of orexin cells by glucose has a broader behavioral role and contributes to continuous daily readjustment at wakefulness and consciousness levels. The previously described device 12 embodiments may provide clinical insights into CFS by non-intrusive monitoring of glucose concentration, and serve as an early warning indicator of emergency fatigue in the general public. It is contemplated that it may be done. This may be applied to occupations where it is most important to be careful. The occupations are, for example, military personnel, occupational pilots, school bus drivers, truck drivers, air traffic controllers, among others. In certain embodiments, the aforementioned system 10 may also include an alarm. If the device 12 being used to monitor the individual detects that the individual's glucose concentration has reached a concentration indicating that the individual is becoming fatigued, the alarm will start to keep the individual ready. May be.

重症の外傷性出血性ショックから首尾よく蘇生する可能性には、瀉血を伴う戦闘負傷者及び一般市民の外傷被害者の両方に関してスピードが重視される。非侵入的準連続戦地配備可能モニタが首尾よく蘇生の可能性を上昇させると考えられる多くの研究領域がある。第1に、トリアージ及び効果的な治療の両方に関して、負傷兵が医師によって発見された場合にショック時間の正確な瞬間を特定することにおいて利点がある。出血性ショック中に観察される典型的なヘマトクリット値、血漿グルコース値、及び乳酸値は既知であり、次の4つの進行相が確認されている。1)早期代償相(恒常性維持機構)、2)最大代償相、3)早期非代償相(血液補液中、不可逆性に近い)、及び4)晩期非代償相(死亡に繋がる)。晩期非代償相の前に蘇生液を投与できた場合、腎臓及び肝臓が虚血性で重度のアシドーシスがあれば、生存の可能性は大幅に向上する。第2に、蘇生液に極低濃度のエタノールを混合することにより、血漿エタノール及びその代謝産物を、肝機能回復程度のマーカとして時間監視することができる。研究の観点から、準連続性(例えば、2分毎に読み取る)は、使用される蘇生液の量及び組成の両方の有効性を明らかにすると考えられる。(血液ではなく)少量のグルコース注入が全身性アシドーシスを緩和することができると同時に、致命的な非代償相の発症を遅延させることが証明されている。第3に、更により正確に知るために、1人の個人が代償/非代償の時間的経過にある場合、その個人は、自身の血漿グルコース濃度及び乳酸濃度(更にアルコール濃度)に関する傷害前の「基準」を持っているはずであり、戦闘で遭遇する極度のストレス及び労作により、正常な静止値から著しく変化する可能性がある。   The potential for a successful resuscitation from severe traumatic hemorrhagic shock places importance on speed for both combat wounded and civilian trauma victims with hemoptysis. There are many research areas where non-invasive semi-continuous battlefield deployable monitors are thought to successfully increase the chances of resuscitation. First, with respect to both triage and effective treatment, there is an advantage in identifying the exact moment of shock time when an injured soldier is discovered by a physician. The typical hematocrit, plasma glucose, and lactate values observed during hemorrhagic shock are known and the following four progressive phases have been identified. 1) early compensatory phase (homeostasis maintenance mechanism), 2) maximum compensatory phase, 3) early decompensated phase (in blood replacement fluid, close to irreversibility), and 4) late decompensated phase (leads to death). If the resuscitation fluid can be administered before the late decompensated phase, the chances of survival are greatly improved if the kidney and liver are ischemic and severe acidosis occurs. Secondly, plasma ethanol and its metabolites can be time-monitored as a marker of the degree of liver function recovery by mixing extremely low concentration ethanol into the resuscitation fluid. From a research perspective, quasi-continuity (eg, read every 2 minutes) is believed to reveal the effectiveness of both the amount and composition of the resuscitation fluid used. It has been demonstrated that small doses of glucose (rather than blood) can alleviate systemic acidosis while delaying the onset of a fatal decompensated phase. Third, in order to know even more accurately, if an individual is in a compensatory / decompensated time course, the individual will be pre-injured with respect to their plasma glucose and lactate levels (and alcohol levels). They should have a “reference” and can vary significantly from normal resting values due to the extreme stress and effort encountered in combat.

この文脈において、戦闘を通じて即ち静止から労作及び可能性のある傷害まで、前述したデバイス12及びシステム10を用いて各個人の乳酸塩、グルコース、ビリルビン、ピルビン酸塩、及び(マーカとして使用される)エタノールを、非侵襲的に監視することが非常に望ましい。ビリルビン濃度と併せてエタノールが肝臓により除去される速度の両方を知ることにより、肝虚血に関する追加データが得られる。監視デバイスがトリアージ及び救命救急診療機器の両方の機能を果たす災害の場合には、サンプリングの頻度のみが低頻度から高頻度へ、準連続へと変化する。他の生理学的機器と組み合わせられた場合、完全な写真が指揮官、医師、又は軍医に利用可能であってもよい。外傷及び広面積の火傷に対する身体の反応は、出血性ショックの反応と極めて類似しており、このため、前述したセンサは、傷害の重症度の評価、蘇生、及び治療に対する応答、特に肝臓の適正な機能に同様に役立つ。   In this context, from combat, ie from rest to effort and possible injury, using the device 12 and system 10 described above, each individual's lactate, glucose, bilirubin, pyruvate, and (used as a marker) It is highly desirable to monitor ethanol non-invasively. Knowing both the bilirubin concentration as well as the rate at which ethanol is removed by the liver provides additional data on liver ischemia. In the case of a disaster in which the monitoring device functions as both triage and emergency medical equipment, only the frequency of sampling changes from low frequency to high frequency, quasi-continuous. When combined with other physiological devices, complete photos may be available to commanders, physicians, or military physicians. The body's response to trauma and large area burns is very similar to that of hemorrhagic shock, so the sensors described above assess the severity of injury, resuscitation, and response to treatment, especially the properness of the liver. As well as useful features.

ある実施形態では、前述したシステム10は、同一条件の影響下にある複数の対象を監視する用途のために構成されてもよい。例えば、小隊の兵士がそれぞれ、前述したデバイス12を彼/彼女の皮膚に取り付けて有してもよく、デバイス12は中央司令部と通信してもよい。このように、各兵士が、複数の異常状態に関して個々に監視されてもよい。例えば、グルコース濃度及び乳酸濃度が監視されてもよい。兵士が健康である場合、個人の静止基準を測定し記憶することができる。兵士が労作する時に血糖値及び乳酸値を監視することができる。極度の労作は、低血糖及び乳酸値の上昇で知ることができる。この生理学的状態は、戦闘又は後続の激しい労作状況において行動する兵士の能力に影響を及ぼす可能性がある。このように、指令部は、グルコース値及び乳酸値が正常値に戻ったことが検出されるまで休息させるために、その兵士を呼ぶことを決定してもよい。更に、兵士が傷害を負っている場合、センサが起動して準連続的に測定することができ、システム10は、救命救急診療機器及びトリアージ機器として、前述した方法で使用されてもよい。   In some embodiments, the system 10 described above may be configured for use in monitoring multiple objects under the influence of the same conditions. For example, each platoon soldier may have the device 12 described above attached to his / her skin, and the device 12 may communicate with the central headquarters. In this way, each soldier may be individually monitored for multiple abnormal conditions. For example, glucose concentration and lactic acid concentration may be monitored. If the soldier is healthy, the individual's stationary reference can be measured and stored. Blood glucose and lactate levels can be monitored as soldiers work hard. Extreme effort can be recognized by hypoglycemia and elevated lactic acid levels. This physiological condition can affect a soldier's ability to act in combat or subsequent intense work situations. Thus, the command unit may decide to call the soldier to rest until it is detected that the glucose level and the lactic acid level have returned to normal values. Furthermore, if the soldier is injured, the sensor can be activated and measured quasi-continuously, and the system 10 may be used in the manner described above as a life-saving emergency medical device and triage device.

ある実施形態では、対象は、群れにいるか又は共通の環境にいる動物であってもよい。例えば、前述したデバイス12は、群れの何頭かの又は全ての耳に取り付けられてもよい。デバイスは、動物のグルコース値を経時的に測定するように構成されてもよい。中央指令ノードは、群れからある距離、例えば4分の1マイル、をおいてゲート上に配置されてもよい。指令ノードは、感染症が原因で苦しんでいる可能性があるそれらの動物を発見するために、その範囲内の全てのデバイスに問い合わせるために信号を送信するように構成されてもよい。動物のグルコース値を監視することにより、値の上昇が検出され、それにより動物が苦しんでいる可能性があることが示された場合、その疾病の原因の種類をより正確に判定するために、苦しんでいる動物を群れから分離し、検査し、試験してもよい。デバイスは、抗体又は酵素の被覆のどちらかを使用するように構成されてもよい。抗体又は酵素の被覆は、対象における特定の異常を標的とし、該異常は、血液、乳汁、尿等の中に存在する特定の疾病マーカに反映される。このようにして、システムは、無線サンプリング点モニタとして機能してもよい。該モニタは、その分析結果をリアルタイムで指令ノードに中継し、感染の存在を直ちに合図することができる。ある実施形態では、システムを使用して、各収集地点で乳汁を冷蔵タンカに装填する前に、乳汁が消費向けに安全であることを保証するために、乳汁試料を分析してもよい。   In certain embodiments, the subject may be an animal in a herd or in a common environment. For example, the device 12 described above may be attached to some or all of the ears of a herd. The device may be configured to measure an animal's glucose level over time. The central command node may be placed on the gate at a distance from the flock, for example a quarter mile. The command node may be configured to send a signal to query all devices within its range to find those animals that may be suffering from the infection. If monitoring an animal's glucose level detects an increase in value, which indicates that the animal may be suffering, in order to more accurately determine the type of cause of the disease, Suffering animals may be separated from the herd, examined and tested. The device may be configured to use either antibody or enzyme coatings. Antibody or enzyme coatings target specific abnormalities in the subject, which are reflected in specific disease markers present in blood, milk, urine, and the like. In this way, the system may function as a wireless sampling point monitor. The monitor relays the analysis result to the command node in real time and can immediately signal the presence of the infection. In certain embodiments, the system may be used to analyze milk samples to ensure that the milk is safe for consumption before loading the milk into a refrigerated tanker at each collection point.

ある実施形態では、外科的移植のために用意され保存されていた器官及び組織の生存可能性及び機能性を監視するようにシステムが構成されてもよい。例えば、器官及び組織中に存在する可能性のある特定の生体分子を監視してもよく、器官及び組織が依然として移植に適切であることを保証してもよい。これらの生体分子は所望される場合もあり、不要である場合もある。   In certain embodiments, the system may be configured to monitor the viability and functionality of organs and tissues prepared and stored for surgical implantation. For example, certain biomolecules that may be present in organs and tissues may be monitored, and it may be ensured that the organs and tissues are still suitable for transplantation. These biomolecules may be desired or unnecessary.

殆んどの組織の生存可能性の最も簡単な試験は、グルコース、乳酸塩、血液酸素ガス、二酸化炭素、及びpHの値の評価である。これらの濃度が範囲内にある限りは、組織の細胞は、正常な代謝を維持することができる。他の試験は、肝臓、心臓、肺、腎臓、及び神経組織などのより複雑な組織の機能性を評価するのに適切である。例えば、前述した通り、ビリルビン濃度及びエタノールなどの分子を除去する肝臓の能力を分析することにより、肝臓機能を監視することができる。これらの用途のために構成されているデバイス12は、例外の可能性と共に前述した構造と類似している。例外とは、例えば手術中に器官又は組織が曝露される場合、デバイス12は、角質層に似た障壁の合併症なしに、間質液を評価するために直接組織に貼付されてもよい。特定の器官は、障壁と同様の機能を果たす外膜組織を有する。この場合、障壁の断裂は、外膜の特性に合わせて温度レベル及び電圧レベルを調節しながら達成されてもよい。人工循環をそのために使用して機能を維持する停止した器官では、デバイス12を使用して、入力循環液及び出力循環液の両方を監視してもよく、肝臓中のエタノールなどの特定の分子を除去する能力を評価してもよい。ニューロン自体を損傷することなく長時間に亘り正確な電気信号を測定するために、以下に記載する通り、神経組織がデバイス12の特別の構成を必要とする場合がある。   The simplest test of the viability of most tissues is an assessment of glucose, lactate, blood oxygen gas, carbon dioxide, and pH values. As long as these concentrations are in range, the cells of the tissue can maintain normal metabolism. Other tests are appropriate for assessing the functionality of more complex tissues such as liver, heart, lung, kidney, and nerve tissue. For example, as described above, liver function can be monitored by analyzing the ability of the liver to remove bilirubin concentrations and molecules such as ethanol. The device 12 configured for these applications is similar to the structure described above with the possibility of exceptions. An exception is that if an organ or tissue is exposed during surgery, for example, the device 12 may be applied directly to the tissue to evaluate interstitial fluid without the complications of the stratum corneum-like barrier. Certain organs have outer membrane tissue that functions like a barrier. In this case, the barrier rupture may be achieved by adjusting the temperature level and the voltage level according to the characteristics of the outer membrane. In stopped organs that use artificial circulation to maintain function, device 12 may be used to monitor both input and output circulation fluids, and to monitor certain molecules such as ethanol in the liver. The ability to remove may be evaluated. In order to measure accurate electrical signals over time without damaging the neurons themselves, the neural tissue may require a special configuration of the device 12, as described below.

同様に、少量の組織を、外科手術又は低侵襲的探針により身体から切除してもよい。該少量を、間質液の内容物の分析のために、デバイス12の上面に都合よく配置してもよい。デバイス12は、組織が劣化し始める前に試料を迅速に(例えば、数秒で)測定しもよく、生体分子の微量濃度を測定してもよい。生検試料に関して実施される厳格な評価パネルは、調査下にある疾病が何であるかに左右される。全てではないとしても殆んどの場合、分析される間質液の極めて微量の体積(nl)が、検体組織の生物学的状態を混乱させるはずはない。   Similarly, a small amount of tissue may be excised from the body by surgery or a minimally invasive probe. The small amount may be conveniently placed on the top surface of the device 12 for analysis of the contents of the interstitial fluid. The device 12 may measure the sample quickly (eg, in a few seconds) before the tissue begins to degrade, and may measure trace concentrations of biomolecules. The exact assessment panel performed on the biopsy sample will depend on what disease is under investigation. In most if not all cases, a very small volume (nl) of interstitial fluid to be analyzed should not disrupt the biological state of the specimen tissue.

ある実施形態では、前述したシステム10は、癌、並びにインフルエンザ、マラリア、及びデング熱などの感染症を含むがそれらに限定されない疾病の早期検出のために使用されるように構成されてもよい。そのような実施形態では、デバイス12(例えば、デバイスの検出電極)は、抗体と共に調製されてもよい。該抗体は特定の抗原に結合し、その異常な濃度は、疾病若しくは感染症のリスクの上昇、又は単に成長する腫瘤若しくは感染の存在に関連する。多くの疾病では、疾病に関連する生化学的マーカの数が増加している。前立腺癌及び乳癌の場合には、定期的に試験されている特定の抗原は、前立腺特異的抗原(PSA)及び前立腺膜特異的抗原(PMSA)、エストロゲン、上皮成長因子(EGF)、及びインスリン成長因子(IGF)である。抗体はこれらの抗原全てに利用可能であり、デバイス12の電極に選択的に固定することができる。全ての抗原は60kDAより小さく、間質液中に認められる。従って、これらの癌マーカに利用可能な試験は、経皮的吸引液のみならず、尿吸引液及び胸部吸引液である。最低濃度に対する最高感度のために、電極をナノパターン化する前述した方法が用いられてもよい。ウイルス感染症又は胞子性感染症では、デバイス12の異なる2つの構成が必要とされる場合がある。第1は、ウイルス又は胞子への曝露を測定し、H5N1ウイルスなどの対象ウイルスに対して育てられた抗体を有する電極を使用する。胞子は、外部から特定の代謝産物を探すことにより検出される。電極は、最低濃度を獲得するため且つ感染因子への個人の曝露に関して最も早い警告を出すために、前述した通りナノパターン化されてもよい。人は曝露してすぐに病気になる訳ではない。インフルエンザ・ウイルスの外部濃度が高い場合のみ、ウイルスは血液中で循環を開始する。ウイルス及び胞子は、間質液中で発見するには大き過ぎるが、ウイルス断片(血球凝集素及びノイラドミニダーゼ)は間質液中に認められる。抗体検出は、デバイス12のそのような構成を用いて、1ml当たり100万個の断片の間質液濃度値において、数分以内に可能である。該間質液濃度値は、抗ウイルス薬物療法に反応するには十分に低い。   In certain embodiments, the system 10 described above may be configured to be used for early detection of cancer and diseases including but not limited to infections such as influenza, malaria, and dengue fever. In such embodiments, device 12 (eg, the detection electrode of the device) may be prepared with antibodies. The antibody binds to a particular antigen and its abnormal concentration is associated with an increased risk of disease or infection, or simply the presence of a growing mass or infection. In many diseases, the number of biochemical markers associated with the disease is increasing. In the case of prostate cancer and breast cancer, the specific antigens that are regularly tested are prostate specific antigen (PSA) and prostate membrane specific antigen (PMSA), estrogen, epidermal growth factor (EGF), and insulin growth Factor (IGF). Antibodies are available for all of these antigens and can be selectively immobilized on the electrodes of device 12. All antigens are smaller than 60 kDa and are found in the interstitial fluid. Therefore, tests available for these cancer markers are not only percutaneous aspirates, but also urine aspirates and chest aspirates. For maximum sensitivity to the lowest concentration, the method described above for nanopatterning the electrode may be used. For viral or spore infections, two different configurations of device 12 may be required. The first measures exposure to the virus or spore and uses an electrode with antibodies raised against the subject virus, such as the H5N1 virus. Spores are detected by looking for specific metabolites from the outside. The electrodes may be nanopatterned as described above to obtain the lowest concentration and to give the earliest warning regarding an individual's exposure to infectious agents. People do not get sick immediately upon exposure. Only when the external concentration of influenza virus is high, the virus begins to circulate in the blood. Viruses and spores are too large to be found in the interstitial fluid, but viral fragments (hemagglutinin and neuradminidase) are found in the interstitial fluid. Antibody detection is possible within a few minutes at interstitial fluid concentration values of 1 million fragments per ml using such a configuration of device 12. The interstitial fluid concentration value is low enough to respond to antiviral drug therapy.

ある実施形態では、寄生虫感染症のマラリアを監視し治療するようにデバイス12が構成されてもよい。ある実施形態では、寄生虫の存在、並びに肝臓、腎臓、脳、及び肺などの器官機能に関連するマーカの両方を監視するようにデバイス12が構成されてもよい。特に、デバイスは、抗体及び酵素の両方を特徴的な代謝産物に対して使用して、高感度であるように作製される。該代謝産物は、とりわけP. falciparumのヒスチジンリッチ・タンパク質2(PfHRP2)、寄生生物の乳酸デヒドロゲナーゼ(pLDH)などの寄生原虫(Plasmodium属)により放出される。マラリアはこれらの器官を冒し、最終的に損傷を与え、疾病負担と呼ばれる健康の更なる悪化をもたらす。各器官のマーカが測定され、濃度が正常からどのくらい離れているかを判定し、器官のストレス又は損傷を推定する。別の実施形態では、デバイス12の送達空洞18は、医療従事者による決定の通り、個人で又はデバイスの制御部分及び通信部分によって自動的に、プリマキン及びより古い薬剤と共にアルテミシニンを、順次又は組み合わせて送達するように構成されてもよい。現在では、より古い薬剤に対して、寄生虫はより耐久性がある。ある実施形態では、デバイスは、HIV及び結核などの他の疾病を監視し治療するように、デバイスが疾病及びその負担を監視し薬剤又は薬剤の組合せを投与するように、同様に構成されてもよい。   In some embodiments, the device 12 may be configured to monitor and treat malaria of a parasitic infection. In certain embodiments, device 12 may be configured to monitor both the presence of parasites and markers associated with organ functions such as liver, kidney, brain, and lung. In particular, the device is made to be highly sensitive using both antibodies and enzymes for characteristic metabolites. The metabolites are inter alia P.I. It is released by parasitic protozoa (Plasmodium spp.) such as falciparum histidine rich protein 2 (PfHRP2), parasite lactate dehydrogenase (pLDH). Malaria affects these organs, eventually damaging them, resulting in a further deterioration in health called the disease burden. Each organ marker is measured to determine how far the concentration is from normal and to estimate organ stress or damage. In another embodiment, the delivery cavity 18 of the device 12 can be combined with artemisinin, either sequentially or in combination with primaquine and older drugs, either individually or automatically by the control and communication portions of the device, as determined by a healthcare professional. It may be configured to deliver. Now, parasites are more durable against older drugs. In certain embodiments, the device may be similarly configured so that the device monitors the disease and its burden and administers the drug or combination of drugs, such as to monitor and treat other diseases such as HIV and tuberculosis. Good.

実施形態では、システムはまた、癌及び感染症の治療のために構成されてもよい。いくつかの種類の従来の遺伝子療法が、癌を治療するために開発され、試験され、使用されているが、治療プロトコルに対する個人の応答の間に微量バイオマーカを定量的に監視する非侵襲的且つ高感度の測定技術又はシステムは殆んどない。これらの中のほんの一握りのみが、殆んど全ての放射線治療薬及び/又は化学治療薬に共通する生体分子経路に基づいているに過ぎず、危機的な時期において且つ治療期間を通じて、どれも継続的監視の可能性を提供しない。前述した方法を使用してデバイスの検出電極上にナノパターン化されたポリマーを作製し、アポトーシスに関するプログラムされた細胞死の生物学的配列で存在するタンパク質が、特定的に標的とされてもよい。このことには、生物学的に関連する濃度、即ち1ng/mlと0.1mg/mlの間の濃度、における開裂したカスパーゼ−3の17kDaサブユニットが含まれるがそれらに限定されない。p54タンパク質及び17kDaタンパク質などの細胞アポトーシスにおけるタンパク質のいくつかは、細胞アポトーシスを誘発する大多数の癌治療に関する有効性の代理マーカとして有用であることが分かった。   In embodiments, the system may also be configured for the treatment of cancer and infectious diseases. Several types of conventional gene therapy have been developed, tested, and used to treat cancer, but are non-invasive that quantitatively monitor microbiomarkers during an individual's response to a treatment protocol And there are few sensitive measurement techniques or systems. Only a handful of these are based on biomolecular pathways common to almost all radiotherapeutic and / or chemotherapeutic drugs, all in critical periods and throughout the treatment period. Does not provide the possibility of continuous monitoring. Proteins present in a programmed cell death biological sequence for apoptosis may be specifically targeted using the methods described above to create a nanopatterned polymer on the detection electrode of the device. . This includes, but is not limited to, the 17 kDa subunit of cleaved caspase-3 at biologically relevant concentrations, ie between 1 ng / ml and 0.1 mg / ml. Some of the proteins in cell apoptosis, such as the p54 protein and the 17 kDa protein, have been found to be useful as surrogate markers of efficacy for the majority of cancer treatments that induce cell apoptosis.

実施形態では、システムは、対象の口内部での体液のサンプリングのために構成されてもよい。例えば、システムは、対象の全体的な健康を評価するために、細菌、ウイルス、微生物膜、炎症、及び齲蝕、並びに正常なホルモン、タンパク質、及び代謝産物を検出するように構成されてもよい。ヒト唾液の構成物質及び他の口腔液は、スクリーニング、診断、及び監視の用途のための多数の対象検体を含有し、種々の非侵襲的低リスク方法論を用いて試料を容易に得ることができる。唾液は血漿及び腺から生成され、そのようなものとして、血漿タンパク質及び薬剤は、スターリング力及び血管透過性に基づき、組織間質腔に侵入する。同様の力が間質タンパク質、低分子量材料、薬剤、イオン、並びに頬粘膜及び歯肉粘膜全体に亘る水分の流速を調節する。頬粘膜は、組織間隙及び試料間質液に接近するために容易にアクセス可能な領域を提供する。血漿から唾液まで口膜を横断する相対的移動速度を、2つの体液中の薬剤、血漿タンパク質、及び他の検体の濃度を同時に測定することにより判定することができる。一般に、前述したシステムは、薬剤の薬物動態、禁制品の検出、及び血漿/間質の薬剤濃度又はメディエータ濃度を監視することにおける潜在的用途に供してもよい。更に、歯肉溝における微生物の種々の相乗的相互作用が、齲蝕、歯肉炎、及び他の口腔病変に繋がる可能性のある炎症機序を活性化することが公知である。間質結合組織、歯組織、及び骨組織の微生物特異的タンパク質、代謝生成物、宿主タンパク質、及び分解生成物の特定のパターンが識別されてもよい。鎖骨液をサンプリングした後に標準的なプロテオーム解析(液体クロマトグラフ/質量分析/質量分析、即ちLC−MS−MS)を行なうことにより、特有生成物又は変性生成物のパターンが、疾病特異的生物学痕跡を定義してもよい。この観点から、我々は、疾病前状態に関する情報を得るために、そのような体液及び生物膜の非侵襲的サンプリングに関する3つの製造技術を使用する。   In an embodiment, the system may be configured for sampling of bodily fluids within the subject's mouth. For example, the system may be configured to detect bacteria, viruses, microbial membranes, inflammation, and caries, and normal hormones, proteins, and metabolites to assess the overall health of the subject. Human saliva components and other oral fluids contain a large number of analytes of interest for screening, diagnostic, and monitoring applications, and samples can be easily obtained using a variety of non-invasive low-risk methodologies . Saliva is produced from plasma and glands, as such, plasma proteins and drugs enter the tissue interstitial space based on Stirling force and vascular permeability. Similar forces regulate interstitial proteins, low molecular weight materials, drugs, ions, and water flow rates across the buccal and gingival mucosa. The buccal mucosa provides an easily accessible area to access the tissue gap and sample interstitial fluid. The relative rate of movement across the mouth membrane from plasma to saliva can be determined by simultaneously measuring the concentrations of drug, plasma protein, and other analytes in the two body fluids. In general, the systems described above may serve potential applications in monitoring drug pharmacokinetics, forbidden drug detection, and plasma / interstitial drug or mediator concentrations. Furthermore, it is known that various synergistic interactions of microorganisms in the gingival crevice activate inflammatory mechanisms that can lead to caries, gingivitis, and other oral lesions. Specific patterns of microbial specific proteins, metabolites, host proteins, and degradation products of interstitial connective tissue, dental tissue, and bone tissue may be identified. By performing standard proteomic analysis (liquid chromatography / mass spectrometry / mass spectrometry, ie LC-MS-MS) after sampling the clavicular fluid, the pattern of unique or denatured products can be transformed into disease specific biology. Traces may be defined. From this point of view, we use three manufacturing techniques for non-invasive sampling of such body fluids and biofilms to obtain information about pre-disease conditions.

特定の一構成では、サンプリング・デバイスは、サンプリング空洞に隣接する電極及びマイクロ体液チャネルにより増大する可能性がある。該デバイスでは等電点電気泳動法及びキャピラリ電気泳動法(2−D分離)が実施される。分離の結果は、前述した通り電気的に検出されてもよく、又は分離された試料は、質量分析を用いるデバイス外での後続の分析のために空洞内に保存されてもよい。   In one particular configuration, the sampling device can be augmented by electrodes and microfluidic channels adjacent to the sampling cavity. The device performs isoelectric focusing and capillary electrophoresis (2-D separation). The result of the separation may be detected electrically as described above, or the separated sample may be stored in a cavity for subsequent analysis outside the device using mass spectrometry.

唾液診断が、口腔癌、虫歯(窩洞)の発生における齲蝕原性細菌、治療薬剤の有効性、違法薬物中毒、及びHIVウイルス又はヘルペス・ウイルスの検出のために微小毛細血管の「ようじ」を使用して歯肉と頬の間の領域からサンプリングすることにより達成されてもよい。歯科探針デバイスに取り付けられる微小毛細管を使用する歯肉溝浸出液収集物と共に口腔生体膜(歯垢剥離物)が、歯周病、Helicobacter pylori、及び口臭の検出において役立ち得る。前述した非侵襲的試料収集デバイス12の実施形態を使用して、間質液が、口の内側を覆う比較的透過性の粘膜からサンプリングされてもよく、それにより、全身性疾患の判定及び薬物検査が可能になる。歯肉炎又は他の疾病などの一定の疾病前状態を確定するために、スクリーニング機構として使用されるように構成されてもよい迅速な臨床診断試験が、システムの実施形態を用いて実施されてもよい。該システムの実施形態は、唾液を基礎とする、在宅診断又は医院内診断用「棒付きキャンディーの棒」の形態である。   Salivary diagnostics uses microcapillary “joji” for oral cancer, cariogenic bacteria in the development of caries (cavities), efficacy of therapeutic agents, illegal drug addiction, and detection of HIV or herpes virus And may be achieved by sampling from the area between the gingiva and the cheek. Oral biofilm (plaque exfoliation) along with gingival crevicular fluid collection using microcapillaries attached to a dental probe device can help in the detection of periodontal disease, Helicobacter pylori, and bad breath. Using the embodiments of the non-invasive sample collection device 12 described above, interstitial fluid may be sampled from a relatively permeable mucosa lining the mouth, thereby determining systemic disease and drug Inspection becomes possible. A rapid clinical diagnostic test that may be configured to be used as a screening mechanism to determine certain pre-disease conditions such as gingivitis or other illnesses may be performed using system embodiments. Good. An embodiment of the system is in the form of a “stick bar with candy” based on saliva for home or in-house diagnosis.

歯科システムが、それらに限定されないが2つの特定の診断領域のために使用されてもよい。第1は、危険因子、疾病感受性、及び全般的な健康状態などの多くの病態と相関がある分子の生物学痕跡、又は唾液の「指紋」を判定するために、間質液、唾液、及び他の口腔液をサンプリングすることである。第2の診断領域は、口腔疾患、齲蝕原性細菌及びそれに続く虫歯の発生における唾液及び唾液構成物質の効果に焦点を当てること、酸産生菌定着の防止における免疫グロブリンA(IgA)の役割を含むことを対象とする。   A dental system may be used for two specific diagnostic areas, including but not limited to them. First, interstitial fluid, saliva, and saliva, to determine molecular biological signatures or saliva “fingerprints” that correlate with many pathologies such as risk factors, disease susceptibility, and general health Sampling other oral fluids. The second diagnostic area focuses on the effects of saliva and salivary constituents in the development of oral diseases, cariogenic bacteria and subsequent caries, and the role of immunoglobulin A (IgA) in preventing acid-producing colonization It is intended for inclusion.

3種類の微小サンプリング・デバイスが、各デバイスが分析される口腔液の種類に特異的である状態で、使用されてもよい。第1に、微小毛細管の束は、頬領域と歯肉領域の間から唾液をサンプリングしてもよく、一方、歯科探針に取り付けられている複数の微小毛細管が、歯肉溝浸出液をサンプリングするために使用されてもよい。第3の微小サンプリング・デバイスは、粘膜を通じて間質液をサンプリングするための、前述したグルコースサンプリングに使用されるシステムの変形である。このサンプリング装置は、最初の2つとは異なり、小さい電池を含み、圧低器様デバイス上に取り付けられている。デバイスが頬に押し付けられている間に、サンプリング過程は、ボタンを押すことにより開始されてもよい。ボタンが解放されると、試料は保存されてもよい。この構造は、全身マーカの検出のために唾液及び経粘膜液を収集するのに使用されてもよい。多数の研究により、血清の構成物質(全身指標)と頬粘膜からの口腔液との間の高い相関が示されている。   Three types of micro-sampling devices may be used with each device being specific to the type of oral fluid being analyzed. First, a bundle of microcapillaries may sample saliva from between the cheek region and the gingival region, while a plurality of microcapillaries attached to the dental probe may sample gingival crevicular fluid. May be used. The third micro-sampling device is a variation of the system used for glucose sampling described above for sampling interstitial fluid through the mucosa. This sampling device, unlike the first two, contains a small battery and is mounted on a voltage reducer-like device. The sampling process may be initiated by pressing a button while the device is pressed against the cheek. When the button is released, the sample may be stored. This structure may be used to collect saliva and transmucosal fluid for detection of whole body markers. Numerous studies have shown a high correlation between serum constituents (systemic indicators) and oral fluid from the buccal mucosa.

微小毛細管のアセンブリで構成されている微小毛細管束サンプリング装置デバイスは、頬領域と歯肉領域の間から唾液試料を収集するのに使用されてもよい。微小毛細管収集ユニットにより、目薬の容器に似た手持ち式デバイスを使用して特定の分布領域上の相当量の唾液のサンプリングが可能になる。個々の微小毛細管は市販されており、剛性及び耐久性をもたらすためにポリイミドの外部鞘層で覆われているミクロン規模のガラス管で作られている。内径及び外径両方の寸法は、内径が30ミクロンと小さく、外径が最大350ミクロンまでで、これらの微小毛細管の各々に関して変化する。   A microcapillary bundle sampling device device composed of a microcapillary assembly may be used to collect a saliva sample from between the cheek region and the gingival region. The microcapillary collection unit allows the sampling of a significant amount of saliva over a specific distribution area using a handheld device that resembles an eye drop container. Individual microcapillaries are commercially available and are made of micron scale glass tubes that are covered with a polyimide outer sheath layer to provide rigidity and durability. Both the inner and outer diameter dimensions vary for each of these microcapillaries, with an inner diameter as small as 30 microns and an outer diameter up to 350 microns.

使い易い手持ち式サンプリング装置300では、図32に示す実施形態において、個々の微小毛細管の束304は、その一方の端部に可撓性バルブ303を有するバルブ・ピペット302内に挿入されてもよく、ポリジメチルシロキサン又はPDMS306と呼ばれるシリコーン・エラストマー内にそれらを「埋め込む」ことにより、所定の位置に保持されてもよい。図示した実施形態では、サンプリング用束304は、図32に示すピペット302に類似した成形ピペット(図示せず)内に装着されており、次に、シリコーンPDMS埋込み材料306を注ぎ硬化する。サンプリングが毛細管を通って起こり得るように、PDMS306は微小毛細管304の端部を両端において覆わず、一方、バルブを使用することで、ラブオンアチップ・デバイス上への吸引及び分配が可能である。硬化すると、それらの中の2つが図33に示されている合成シリコーン及び微小毛細管構造308即ちPDMSプラグを、成形ピペットから取り外してもよく、その結果、PDMSに包み込まれた他の類似の束を作製することができるようにする。サンプリング目的で、ユーザはバルブ・ピペット302を使用してもよく、バルブ303を取り外した後、PDMSプラグ308をピペット302内に入る限り深く挿入してもよい。バルブ・ピペット302の先細の性質により、微小毛細管304は、サンプリング中に確実に正確な位置に存在することになり、ピペット302の開いた端部を密封することになる。バルブ303を再取付けしてもよく、唾液のサンプリングは頬と歯の間で生じてもよい。PDMSプラグ308を取り外して後の分析のために保存してもよいか、又はサンプリングされた体液を、分離装置内に直接分配してもよい。PDMSプラグ308の目的は、各サンプリング手続きに使用される新しいホルダ又はバイアルを提供することである。図示した実施形態は、決して、限定することを意図するものではない。   In an easy-to-use handheld sampling device 300, in the embodiment shown in FIG. 32, an individual microcapillary bundle 304 may be inserted into a valve pipette 302 having a flexible valve 303 at one end thereof. It may be held in place by "embedding" them in a silicone elastomer called polydimethylsiloxane or PDMS306. In the illustrated embodiment, the sampling bundle 304 is mounted in a molded pipette (not shown) similar to the pipette 302 shown in FIG. 32, and then the silicone PDMS embedding material 306 is poured and cured. The PDMS 306 does not cover the ends of the microcapillary 304 at both ends so that sampling can occur through the capillaries, while using a valve allows for aspiration and distribution onto the lab-on-a-chip device. Upon curing, the synthetic silicone and microcapillary structure 308 or PDMS plug, two of which are shown in FIG. 33, may be removed from the molded pipette, resulting in other similar bundles encased in PDMS. So that it can be made. For sampling purposes, the user may use the valve pipette 302, and after removing the valve 303, the PDMS plug 308 may be inserted as far as it can go into the pipette 302. The tapered nature of the valve pipette 302 ensures that the microcapillary 304 is in the correct position during sampling and seals the open end of the pipette 302. Valve 303 may be reattached and saliva sampling may occur between the cheek and teeth. The PDMS plug 308 may be removed and stored for later analysis, or the sampled body fluid may be distributed directly into the separation device. The purpose of the PDMS plug 308 is to provide a new holder or vial that is used for each sampling procedure. The illustrated embodiment is in no way intended to be limiting.

ある実施形態では、図34に示す微小毛細管を基礎とする歯科探針デバイス400を提供する。歯周探査は、歯周病変及び歯肉の歯との臨床的結合の程度の判定において最も一般的に用いられる方法である。全般的に、約1〜3mmの空間の深さが許容可能であると考えられる。この微小毛細管を基礎とするデバイス400の目的は、標準的な歯周検査の間に歯肉溝浸出液をサンプリングし、結合組織ポケットの深さの程度を測定することである。システムのある実施形態では、プラットフォームは、デバイス基板として、可撓性高分子プラスチックで作られている市販の使い捨てで使い易い歯周探針402を受容するように構成されてもよい。歯周探針402は、極めて小さい外径(約100ミクロン)を有する微小毛細管408を使用することにより変更されてもよく、先細探針402の横面上に取り付けられてもよく、硬化PDMSシリコーン・ゴム410の25ミクロンの薄層により所定の位置に保持されてもよい。探針402の遠位端406は、公称直径0.5mm(又は500ミクロン)であるので、取り付けられている微小毛細管408及びPDMS層410は、デバイスの横寸法のみを0.25mmだけ増大させる。PDMSを使用することにより、全体的な探針の可撓性は保たれる可能性があり、短時間インビボで導入された場合に副作用が生じるはずはない。歯肉溝浸出液は、毛細管作用により2つの微小毛細管408内に受動的に輸送されてもよい。別の構成では、歯肉溝浸出液を微小毛細管408へ徐々に抜き取るために、微小毛細管408は、(一般的に歯科医院で見られる)吸引デバイスに接続されてもよい。別の実施形態では、成形手続きを用いて微小毛細管の周囲に探針を形成することにより、単一の微小毛細管が探針の軸部の内側に配置されてもよい。図示した実施形態は、決して、限定することを意図するものではない。   In some embodiments, a microcapillary-based dental probe device 400 as shown in FIG. 34 is provided. Periodontal exploration is the most commonly used method for determining the degree of periodontal lesions and the degree of clinical association with gingival teeth. Overall, a depth of space of about 1 to 3 mm is considered acceptable. The purpose of this microcapillary based device 400 is to sample the gingival crevicular fluid during a standard periodontal examination and measure the degree of connective tissue pocket depth. In certain embodiments of the system, the platform may be configured to receive a commercially available disposable and easy-to-use periodontal probe 402 made of flexible polymeric plastic as a device substrate. The periodontal probe 402 may be modified by using a microcapillary 408 having a very small outer diameter (about 100 microns), may be mounted on the lateral surface of the tapered probe 402, and cured PDMS silicone. It may be held in place by a 25 micron thin layer of rubber 410. Since the distal end 406 of the probe 402 has a nominal diameter of 0.5 mm (or 500 microns), the attached microcapillary 408 and the PDMS layer 410 only increase the lateral dimension of the device by 0.25 mm. By using PDMS, the overall probe flexibility may be preserved and there should be no side effects when introduced in vivo for a short time. Gingival crevicular fluid may be passively transported into the two microcapillaries 408 by capillary action. In another configuration, the microcapillary 408 may be connected to a suction device (commonly found in dental clinics) to gradually draw gingival crevicular fluid into the microcapillary 408. In another embodiment, a single microcapillary may be placed inside the probe shaft by forming a probe around the microcapillary using a molding procedure. The illustrated embodiment is in no way intended to be limiting.

実施形態では、デバイス12及びシステム10は、カロリー摂取量とカロリー消費量の間のバランスを継続して長期間管理することにおいて役立つように使用するために構成されてもよい。該バランスは、基礎代謝及び身体運動に起因する。この場合、デバイス12は、1度に何週間も一日中、生理学的履歴及び生物学的履歴を測定するように構成されてもよい。一例では、基礎代謝は、運動、皮下筋肉の屈曲、心拍、皮膚温度、皮膚の導電性、間質液の酸素ガス濃度及び二酸化炭素ガス濃度、並びに間質液のグルコース、乳酸塩、インスリン、グレリン、及びレプチンの濃度を監視することにより確定されてもよい。運動は、デバイス12の指令部分及び制御部分の回路内に1つの軸又は複数軸の加速度計を組み込むことにより、最もよく測定される。運動及び筋肉屈曲、並びにデバイスの可撓性検出部分の下にある動脈及び静脈を通る血液の小検出パルス(従って心拍を測定すること)は、皮膚に接着するデバイス12が皮膚で変形する時、基板内に埋め込まれている圧電層(セラミックのポリマー)により生成される電圧を使用する。測定電極間に堆積される、既知の抵抗温度係数有する材料の抵抗の変化を測定することにより、又は例えば図29に示すヒータの材料を使用することにより、温度が評価されてもよい。   In embodiments, the device 12 and the system 10 may be configured for use to help maintain a balance between caloric intake and caloric consumption over time. The balance is due to basal metabolism and physical exercise. In this case, the device 12 may be configured to measure physiological history and biological history throughout the day for weeks at a time. In one example, basal metabolism includes exercise, subcutaneous muscle flexion, heart rate, skin temperature, skin conductivity, interstitial fluid oxygen and carbon dioxide concentrations, and interstitial fluid glucose, lactate, insulin, ghrelin And by monitoring the concentration of leptin. Motion is best measured by incorporating a single-axis or multi-axis accelerometer in the command and control part of the device 12. Motion and muscle flexion, and small detection pulses of blood (and thus measuring heart rate) through the arteries and veins under the flexible sensing portion of the device, when the device 12 that adheres to the skin deforms in the skin, A voltage generated by a piezoelectric layer (ceramic polymer) embedded in the substrate is used. The temperature may be assessed by measuring the change in resistance of a material having a known resistance temperature coefficient deposited between the measuring electrodes, or by using, for example, the heater material shown in FIG.

また、2つの電極技術又は4つの電極技術のどちらかにより、皮膚抵抗が都合良く測定されてもよい。2つの電極技術では、皮膚に接触している2つの開電極間を通過する特定の周波数のDC電流又はAC電流のどちらかから、且つ既知の印加電圧から、抵抗が算出されてもよい。この測定では、デバイス12の1つのセル内の電極が、同じデバイス12の異なるセル内の電極と同様に使用され、数ミリメートルの断裂を達成し、局所の肌のきめ、特徴、又は組成変動性の影響を除去するようにしてもよい。4つの電極技術では、デバイス12の四隅それぞれに単一の電極を理想的に使用して、既知のDC電流又はAC電流が、皮膚を通って2つの隣接する角の電極間を流れ、電流は、対向する2つの電極間で測定される。この技術は、電極と皮膚との間の接触抵抗の通常は小さい不確実性を除去する可能性があり、皮膚に特有の値をもたらす。労作が大量の発汗をもたらした場合、導電性の汗が抵抗測定を変える可能性がある。異なる振動周波数で取られるAC測定値を使用して、汗の導電性への寄与を皮膚及び皮層の角質層下の脂肪組織の導電性への寄与と分離してもよい。生物化学的評価が継続的な尺度又は身体内部で経験される代謝をもたらしてもよく、このことは、全カロリー消費の60%に関与する。測定値はコントローラ14により個別に収集され保存されるばかりでなく、全カロリー摂取量の最良の見積もりを提供するために解釈されてもよい。この合計値は、アナログ様式又はデジタル様式のどちらかで表示され、累積カロリー消費を個人に通知してもよい。   Also, skin resistance may be conveniently measured by either two electrode techniques or four electrode techniques. In the two electrode technique, the resistance may be calculated from either a DC or AC current of a specific frequency passing between two open electrodes in contact with the skin and from a known applied voltage. In this measurement, electrodes in one cell of device 12 are used in the same way as electrodes in different cells of the same device 12 to achieve a few millimeters of tear and local skin texture, characteristics, or composition variability You may make it remove the influence of. In the four electrode technology, a single electrode is ideally used at each of the four corners of the device 12, and a known DC or AC current flows through the skin between two adjacent corner electrodes, , Measured between two opposing electrodes. This technique may remove the normally small uncertainty in contact resistance between the electrode and the skin, resulting in a value specific to the skin. If the effort results in a large amount of sweating, conductive sweat can alter the resistance measurement. AC measurements taken at different vibration frequencies may be used to separate the contribution of sweat to the conductivity of the fatty tissue under the stratum corneum of the skin and cortex. Biochemical assessment may result in a continuous scale or metabolism experienced inside the body, which contributes to 60% of total calorie consumption. The measurements are not only individually collected and stored by the controller 14, but may also be interpreted to provide the best estimate of total caloric intake. This total value may be displayed in either an analog or digital format and notify the individual of cumulative calorie consumption.

また、カロリー摂取、食欲制御、満腹度、脂肪生産及び消費が、測定値を用いて定量化可能であってもよい。摂取時及び消化時に測定されるグルコース濃度及びインスリン濃度が、一度の食事で何カロリーが吸収されたかに関して、定量可能な評価を提供してもよい。吸収されたカロリーの実際の数字は、食される食物のカロリー計算から推定されるカロリーとは全く異なる。食後のグレリン濃度を追跡することが満腹度を示す。グレリン濃度の上昇を測定することにより、身体的な満腹感を経験する前に満腹の開始が検出されてもよく、それにより食べ過ぎを回避してもよい。食前にグルコース濃度及びインスリン濃度を追跡することにより、食欲の生理学的信号が測定されてもよい。空腹を感じた時にカロリー消費量とカロリー摂取量とを比較することにより、食べるべきか否か及びどのくらい食べるかという知的意思決定がなされてもよい。   Also, caloric intake, appetite control, satiety, fat production and consumption may be quantifiable using measured values. The glucose and insulin concentrations measured during ingestion and digestion may provide a quantifiable assessment of how many calories have been absorbed in a single meal. The actual number of calories absorbed is quite different from the calories estimated from the calorie calculation of the food being eaten. Tracking the postprandial ghrelin level indicates satiety. By measuring an increase in ghrelin concentration, the onset of satiety may be detected before experiencing a feeling of physical satiety, thereby avoiding overeating. By tracking glucose and insulin concentrations before a meal, a physiological signal of appetite may be measured. By making a comparison between calorie consumption and caloric intake when feeling hungry, an intelligent decision may be made whether to eat and how much to eat.

既知の通り、数週間に亘って身体が吸収するカロリーよりも多く消費する場合、体重減少が生じる。カロリー収支を綿密に監視することにより、人は、脂肪減量のための健康的不足を日々維持することができる。レプチンは、視床下部に信号を送信することにより脂肪を生産し、維持し、除去する、生物系における多数のペプチドの1つである。レプチンを測定することは、身体がいかにしてその脂肪量を制御するかに関する直接的尺度をもたらす。また、種々のAC周波数で伝導された場合の4点の電気抵抗性(インピーダンス)は、電流路における脂肪組織量と相関がある可能性がある。レプチン濃度と併せたこの電気的分析により、システムの制御及び通信デバイス14、16が、分析点における堆積した脂肪組織の状態のみならず、その量が増加又は減少する速度も掲示することが可能になる。これらは全て、意識的な介入により体重及び身体組成を綿密に非侵入的に制御し、エネルギー貯蔵及び使用の自律機構を補助するために、現在個人には利用不可能な有益なツールである。   As is known, weight loss occurs when the body consumes more calories than the body absorbs over several weeks. By closely monitoring the calorie balance, a person can maintain a healthy deficit for fat loss on a daily basis. Leptin is one of many peptides in biological systems that produce, maintain, and remove fat by sending signals to the hypothalamus. Measuring leptin provides a direct measure of how the body controls its fat mass. In addition, the electrical resistance (impedance) at four points when conducted at various AC frequencies may be correlated with the amount of adipose tissue in the current path. This electrical analysis in conjunction with leptin concentration allows the system control and communication devices 14, 16 to post not only the state of the deposited adipose tissue at the analysis point, but also the rate at which its amount increases or decreases. Become. All of these are valuable tools currently unavailable to individuals to control their body weight and body composition in a non-intrusive manner through conscious intervention and to assist in autonomous mechanisms of energy storage and use.

食事はタンパク質、脂肪、及び炭水化物の十分な供給を含むが、食糧摂取が特定の必須のミネラル、ビタミン、及び酸を欠くことが多い。非限定な一構成では、デバイス12のセル18は、間質液中のこれらの入手可能な濃度を測定するために調製されてもよい。これらの分子は小さく、間質液中に容易に認められる。ある実施形態では、デバイス12のセル18は、電気化学的機序、酵素機序、及び抗体機序により、カルシウム及びカリウムなどのミネラル・イオン、ビタミンAなどのビタミン、並びに葉酸のような酸の濃度を測定するように調製されてもよい。これらの栄養素の不足は、必ずしも肥満又は減量に反映されないが、骨粗しょう症、及び神経障害という結果を招くと考えられる。   Although the diet contains a sufficient supply of protein, fat, and carbohydrates, food intake often lacks certain essential minerals, vitamins, and acids. In one non-limiting configuration, the cells 18 of the device 12 may be prepared to measure these available concentrations in the interstitial fluid. These molecules are small and easily found in the interstitial fluid. In certain embodiments, the cell 18 of the device 12 is made up of mineral ions such as calcium and potassium, vitamins such as vitamin A, and acids such as folic acid by electrochemical, enzymatic and antibody mechanisms. It may be prepared to measure the concentration. These nutrient deficiencies are not necessarily reflected in obesity or weight loss, but are thought to result in osteoporosis and neuropathy.

実施形態では、全般的に前述されているシステム10は、心臓、血管、及び卒中の監視に使用されてもよい。専門用語で心筋梗塞即ちMIである心臓発作は、過去には、胸痛及び心電図(ECG)における波形特徴の変化の存在又は既往に基いて診断された。最近になって、クレアチン・キナーゼ(CK及びCK−MB)血液検査の結果が診断に用いられるようになっている一方、心臓トロポニンが使用され始めている。トロポニンの主要な利点は、心臓へのダメージを監視することに対してさえも極めて高感度であることである。3つのイソタイプ(I、T、及びC)を有するタンパク質であるトロポニンは、心筋内の死細胞及び傷ついた細胞から放出されるので、値の上昇は、たとえ軽いものであるとしても、心臓発作中に生じると考えられるような損傷があることを示し得る。CK−MB検査を凌ぐトロポニン、特にTnI及びTnTの他の利点は、心臓イベント後何日もそれが血流中に残存しており、診断時間の増加を可能にすることであり、CK及びCK−MBが専ら死んだ筋肉細胞から放出される(梗塞の定義)一方、トロポニンが死んだ筋肉細胞及び重度に傷ついた筋肉細胞から放出されることである。トロポニンは上昇しているがCK及びCK−MBが正常である人は、心臓発作を診断するためのより伝統的な診断基準を満たす人と同じ結果に苦しむことが、研究により分かっている。   In an embodiment, the system 10 generally described above may be used for heart, blood vessel, and stroke monitoring. A heart attack that is technically myocardial infarction or MI has been diagnosed in the past based on the presence or history of changes in waveform characteristics in chest pain and electrocardiogram (ECG). Recently, creatine kinase (CK and CK-MB) blood test results have been used for diagnosis, while cardiac troponin has begun to be used. The main advantage of troponin is that it is extremely sensitive even for monitoring damage to the heart. Troponin, a protein with three isotypes (I, T, and C), is released from dead and damaged cells in the myocardium, so that the increase in value is even during a heart attack, even if it is mild. It may indicate that there is damage that might occur. Another advantage of troponin over CK-MB testing, especially TnI and TnT, is that it remains in the bloodstream for days after a cardiac event, allowing increased diagnostic time, and CK and CK -MB is released exclusively from dead muscle cells (definition of infarction), while troponin is released from dead and severely damaged muscle cells. Studies have shown that people with elevated troponin but normal CK and CK-MB suffer from the same results as those who meet more traditional diagnostic criteria for diagnosing heart attacks.

脳に血液を運ぶ心臓動脈内のプラークの存在は、血栓を脳に送ること又は血流を止めて卒中を起こすことのどちらかにより、卒中に関連する。また、アテローム性動脈硬化症頸動脈を持つ人は、冠動脈内に且つ循環系全体にアテローム性動脈硬化症を持つ可能性が高く、それにより、同様に心臓発作を起こし易くなる。腫瘍壊死因子及びその受容体は、種々の感染症、炎症、及び自己免疫疾患において血液中で上昇する炎症マーカである。実験的証拠により、免疫過程及び炎症が動脈肥厚の発生に関与することが示唆される。腫瘍壊死因子受容体の濃度上昇は、プラークの形成に影響を及ぼす炎症過程の反映である可能性がある。   The presence of plaque in the heart artery that carries blood to the brain is associated with stroke, either by sending a thrombus to the brain or by stopping the blood flow and causing a stroke. Also, people with atherosclerotic carotid arteries are more likely to have atherosclerosis within the coronary arteries and throughout the circulatory system, thereby similarly prone to heart attacks. Tumor necrosis factor and its receptor are inflammatory markers that are elevated in the blood in various infections, inflammation, and autoimmune diseases. Experimental evidence suggests that immune processes and inflammation are involved in the development of arterial thickening. Increased levels of tumor necrosis factor receptor may be a reflection of inflammatory processes that affect plaque formation.

そのような監視における用途では、システム10は、検体パネルを監視するように構成されてもよい。検体パネルは、健康な心臓及び循環機能を示し、心臓発作、循環障害、及び卒中に繋がる可能性がある異常の早期呈示を実現する可能性がある。ある実施形態では、デバイス12のセル18は、間質液中の検体の濃度を同時に測定するように調製されてもよい。間質液中の検体には、C反応性タンパク質、腫瘍壊死因子受容体1及び2、クレアチン・ホスホキナーゼ(CK及びCK−MB)、クレアチニン、トロポニン、インターロイキン1、2及び6、インターロイキン−2受容体、並びに腫瘍壊死因子−アルファが含まれるがそれらに限定されない。   For such monitoring applications, the system 10 may be configured to monitor a specimen panel. Specimen panels show healthy heart and circulatory function and may provide early presentation of abnormalities that can lead to heart attacks, circulatory disturbances, and stroke. In certain embodiments, the cell 18 of the device 12 may be prepared to simultaneously measure the concentration of the analyte in the interstitial fluid. Samples in the interstitial fluid include C-reactive protein, tumor necrosis factor receptors 1 and 2, creatine phosphokinase (CK and CK-MB), creatinine, troponin, interleukins 1, 2 and 6, interleukin- 2 receptors, as well as tumor necrosis factor-alpha.

ある実施形態では、システム10は、例えば、喫煙、飲酒、麻酔剤等の物質及び薬物乱用の監視のために構成されてもよい。ニコチン及びその代謝コチニンを、前述したシステム10を使用して経皮的に監視してもよい。ニコチンのコチニンへの酸化は、細胞ミトコンドリアに配置されているシトクロムP−450 2A6酵素による触媒作用を受ける。コチニンは、喫煙者と非喫煙者を識別するのに使用されることが多い。非喫煙者とは、即ち間接喫煙(ETS)としても既知である受動喫煙を被り易い人である。主流煙と対照的に副流煙は、より大量のアンモニア、ベンゼン、一酸化炭素、ニコチン、及びn−ニトロソアミンなどの発癌物質を含有する。喫煙の監視を親が用いて、子供達が煙草に携わり乱用することが決してないようにしてもよい。更に重要なことに、これら2つの行動は、乳幼児突然死症候群(SIDS)の主要な単独の危険因子であるので、医師が、妊娠中及び産後に妊婦を監視してもよい。また、より最近の研究により、今までに同定されている受動喫煙の構成物質が、睡眠時無呼吸及びSIDSのエピソードをもたらす可能性があると考えられる呼吸の神経制御に影響を及ぼす可能性があることが示されている。SIDSで死亡する乳児の肺が、対照乳児より著しく高濃度のニコチンを有することが、研究により分かっている。喫煙は、我々の非侵襲的パッチ技術を用いて継続的に監視されてもよい。システム10は、不正開封防止制御と共に組み込まれてもよい。不正開封防止制御は、恐らく喫煙中、デバイス12がユーザから長時間取り外されたことを示すと考えられる。デバイス12はまた、スタンドアロンのインビトロのツールとして、尿試料に使用されてもよい。尿試料は、通常、コチニンが身体から排出される場所であり、デバイス12上のサンプリング部位に導入される。   In certain embodiments, the system 10 may be configured for monitoring substances such as smoking, drinking, anesthetics, and drug abuse, for example. Nicotine and its metabolic cotinine may be monitored transcutaneously using the system 10 described above. The oxidation of nicotine to cotinine is catalyzed by the cytochrome P-450 2A6 enzyme located in the cell mitochondria. Cotinine is often used to distinguish between smokers and non-smokers. Non-smokers are persons who are susceptible to passive smoking, also known as secondhand smoke (ETS). In contrast to mainstream smoke, sidestream smoke contains higher amounts of carcinogens such as ammonia, benzene, carbon monoxide, nicotine, and n-nitrosamine. Smoking supervision may be used by parents to ensure that children are never involved in tobacco abuse. More importantly, these two behaviors are the main single risk factor for sudden infant death syndrome (SIDS), so doctors may monitor pregnant women during pregnancy and after delivery. Also, more recent studies have shown that passive smoking components identified to date may affect respiratory neural control that may lead to sleep apnea and SIDS episodes. It is shown that there is. Studies have shown that the lungs of infants who die from SIDS have significantly higher concentrations of nicotine than control infants. Smoking may be continuously monitored using our non-invasive patch technology. System 10 may be incorporated with tamper-evident control. The tamper-evident control is likely to indicate that the device 12 has been removed from the user for an extended period of time while smoking. Device 12 may also be used on urine samples as a stand-alone in vitro tool. The urine sample is usually where cotinine is excreted from the body and is introduced into the sampling site on the device 12.

本発明の実施形態では、電気化学的反応を使用する酵素検出か、又は振動する垂下された膜の共振周波数シフトを使用する抗体−抗原検出を利用する特定の固定受容体部位のどちらかを使用するデバイス12は、運動能力向上薬、乱用薬物(アヘン剤、コカイン、麻薬)、及びアルコール乱用を含む禁制品を監視するのに使用されてもよい。デバイス12は、種々の禁制品に関して個人を監視するために数パネルの検出セルを組み込んでもよいか、又は特定の物質に対して特異的にすることができる。   Embodiments of the present invention use either enzyme detection using electrochemical reactions or specific fixed receptor sites that utilize antibody-antigen detection using resonant frequency shifts of oscillating pendant membranes. The device 12 may be used to monitor forbidden items, including athletic drugs, drugs of abuse (opiates, cocaine, narcotics), and alcohol abuse. Device 12 may incorporate several panels of detection cells to monitor individuals for various prohibited items, or may be specific for a particular substance.

ある実施形態では、システム10は、前述した垂直に配向された微小毛細管を利用するように構成される。該微小毛細管は、皮膚表面に対して垂直である。毛細管作用により、サンプリングされた間質液は、該毛細管を通って上方に抜き取られてもよい。同じ毛細管が、ポリアクリルアミド又はアガロースなどのゲルで満たされてもよい。ゲルは、サンプリングされた間質液を自体を通して流出する半多孔性の媒体を提供する。しかし、毛細管作用が効果的でない場合があるので、毛細管の上部及び底部にある電極を使用して電圧が印加されてもよい。ゲルで満たされた毛細管の寸法は数百ミクロンに過ぎないので、低レベル電位を付与することにより、間質液は電気泳動的に駆動される。このように、E=V/dであるので、低電圧は更に高電界を生成すると考えられ、それにより、電荷/質量比に基づくゲル内部での生物学的構成要素の分離を可能にする。デバイスがユーザから取り外されると、次に、効果的な1−D分離は、更に分析されてもよい。   In certain embodiments, the system 10 is configured to utilize the vertically oriented microcapillaries previously described. The microcapillary is perpendicular to the skin surface. The sampled interstitial fluid may be withdrawn upward through the capillary due to capillary action. The same capillary may be filled with a gel such as polyacrylamide or agarose. The gel provides a semi-porous medium that allows sampled interstitial fluid to flow through itself. However, since capillary action may not be effective, the voltage may be applied using electrodes at the top and bottom of the capillary. Since the size of the capillary filled with gel is only a few hundred microns, the interstitial fluid is driven electrophoretically by applying a low level potential. Thus, since E = V / d, a low voltage is believed to generate a higher electric field, thereby allowing separation of biological components within the gel based on the charge / mass ratio. Once the device is removed from the user, the effective 1-D separation may then be further analyzed.

ある実施形態では、神経インターフェース、短期間又は長期間のインターフェース(例えば、人工装具制御、治療反応のためにシステムが構成されてもよい。更に、システムは、うつ病などの神経障害、不安、及び複数の硬化症を監視し、場合により治療するように構成されてもよい。電気化学的に堆積されているPPY内に固定されている神経成長因子で被覆されている柔軟で変形可能なナノパターン化された材料を、前述した細い針金の電極上に使用することにより、デバイスは、生体ニューロンに対する良好な生体適合性接続を得てもよい。接続は、ニューロンとフィラメント状ナノスケール導体との間の密接な接着及び長期間の接着の両方に起因し得る。電流は、トンネル機構により補助されて該導体を通って流れる。   In certain embodiments, the system may be configured for neural interfaces, short-term or long-term interfaces (eg, prosthetic control, treatment response. In addition, the system may be configured for neurological disorders such as depression, anxiety and A flexible, deformable nanopattern coated with nerve growth factor anchored in electrochemically deposited PPY may be configured to monitor and optionally treat multiple sclerosis The device may obtain a good biocompatible connection to a biological neuron by using the reinforced material on the thin wire electrode described above, the connection between the neuron and the filamentous nanoscale conductor. The electrical current flows through the conductor with the aid of a tunneling mechanism.

ある実施形態では、システムは、動物、作物、水、及び食糧供給を監視することにより、環境バイオセキュリティのために構成されてもよい。口蹄疫の米国への導入は、今後20年間に亘り、わが国の一兆ドル農産業への唯一最大の生物学的脅威を表す。記載されているシステムは、国内全体に亘る又は特定の場所での疾病分布を判定するために、スケーラブル・プラットフォームを提供するように構成されてもよい。個別監視が必要な場合は、リアルタイムのハイスループット非侵襲的評価が、感染の仮判定ためのオンボード試験に結合されてもよい。特定の個人が陽性である場合、個人レベルでのその後の努力が必要とされる場合がある。   In certain embodiments, the system may be configured for environmental biosecurity by monitoring animals, crops, water, and food supplies. The introduction of foot-and-mouth disease in the United States represents the single largest biological threat to our trillion dollar agricultural industry over the next 20 years. The described system may be configured to provide a scalable platform for determining disease distribution throughout the country or at specific locations. If individual monitoring is required, real-time, high-throughput non-invasive assessment may be combined with on-board testing for tentative determination of infection. If a particular individual is positive, subsequent efforts at the individual level may be required.

関連するバイオセキュリティ領域では、特定の殺虫剤などの特定の化学物質のためにデバイスが構成されてもよい。環境誘発型疾患は多かれ少なかれ誰にでも影響を及ぼすが、個人の感受性が、別の群に優先して一群の中毒反応の程度に予め傾向を与える可能性がある。特に、胎児段階から青年期までの範囲の発育段階にある個人は、特に、そのような環境的ストレスの影響を受けやすい。何故なら、主要な身体機能が、そのような曝露に耐え、処理し、対処するレベルまでまだ成熟していないからである。デバイス内部に組み込まれたバイオマーカの使用は、子供の環境衛生の継続的監視、毒素の早期検出、子供の身体状態における機能障害の防止のための継続的監視を提供してもよく、例えば殺虫剤を含む毒性環境に曝露されてきた子供の一連の治療を決定してもよい。多数の種々の殺虫剤が存在するが、神経伝達物質であるアセチルコリンを規制する酵素を崩壊することにより、大部分は神経系に影響を及ぼす。殺虫剤の監視は、生産に関する薬剤処理の最適化、作物が絶対に過剰処理されないようにすること、殺虫剤を使用しないことを主張する売主からの農産物を監視することを含むがそれらに限定されない種々の理由で、作物においても使用することができる。土壌試料を検出部位に配置することができる場合、デバイスをスタンドアロンのデバイスとして使用してもよい。試料に含有されている水分が、種々の殺虫剤用の適正な受容体パネルのセットを含むセンサに到達してもよく、指示器が、環境中の殺虫剤濃度に関する情報を提供してもよい。   In the relevant biosecurity area, devices may be configured for specific chemicals, such as specific insecticides. Although environmentally induced diseases affect more or less everyone, an individual's susceptibility may pre-tend to the extent of a group of addictive reactions in preference to another group. In particular, individuals in the developmental stage ranging from fetal stage to adolescence are particularly susceptible to such environmental stresses. This is because major physical functions have not yet matured to the level that can withstand, process and deal with such exposure. The use of biomarkers embedded within the device may provide continuous monitoring of the child's environmental health, early detection of toxins, and continuous monitoring to prevent functional impairment in the child's physical condition, eg insecticide A series of treatments for children who have been exposed to a toxic environment containing the agent may be determined. There are a number of different insecticides, but most affect the nervous system by disrupting enzymes that regulate the neurotransmitter acetylcholine. Insecticide monitoring includes, but is not limited to, optimizing drug treatment for production, ensuring that crops are never overtreated, and monitoring produce from vendors claiming not to use pesticides. It can also be used in crops for various reasons. If the soil sample can be placed at the detection site, the device may be used as a stand-alone device. Moisture contained in the sample may reach a sensor that includes a set of appropriate receptor panels for various pesticides, and an indicator may provide information about the concentration of pesticides in the environment .

また、前述したシステムは、本明細書中に記載されていない広範な用途において検出及び治療に使用するために構成されてもよいことも、検討される。   It is also contemplated that the system described above may be configured for use in detection and therapy in a wide variety of applications not described herein.

当業者により理解されるはずであるように、前述したシステムに関する検討される用途は、広範囲であり無制限である。前述した用途の例は、決して、限定するものと見做されるべきではない。代わりに、それらは、本発明の実施形態が提供してもよい幅広い実用性に関する例として提供されたものである。   As will be appreciated by those skilled in the art, the applications considered for the systems described above are broad and unlimited. The above examples of applications should in no way be considered limiting. Instead, they are provided as examples of the wide utility that embodiments of the present invention may provide.

本発明を、構造特性及び/又は方法論的作用に特有の言語で記載したが、添付の請求項において定義されている本発明は、必ずしも記載した特定の特性又は作用に限定される訳ではないことを理解されたい。むしろ、特定の特性及び作用は、主張されている発明を実行することに関する例示的形態として開示されている。   Although the present invention has been described in language specific to structural features and / or methodological actions, the invention as defined in the appended claims is not necessarily limited to the specific characteristics or acts described. I want you to understand. Rather, the specific features and acts are disclosed as exemplary forms of implementing the claimed invention.

図1は、生体分子のサンプリング及び送達システムの実施形態を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a biomolecule sampling and delivery system. 図2は、図1のサンプリング、分析及び送達デバイスの機能的構成要素の実施形態を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an embodiment of functional components of the sampling, analysis and delivery device of FIG. 図3は、本発明の実施形態に基づく、サンプリング、分析及び送達セルの構造の一部の概略上面図である。FIG. 3 is a schematic top view of a portion of a sampling, analysis and delivery cell structure according to an embodiment of the present invention. 図4Aは、本発明の実施形態に基づく、サンプリング及び分析セルの構造の概略上面図である。FIG. 4A is a schematic top view of a sampling and analysis cell structure according to an embodiment of the present invention. 図4Bは、本発明の実施形態に基づく、送達セルの構造の概略上面図である。FIG. 4B is a schematic top view of the structure of a delivery cell according to an embodiment of the present invention. 記載なし。not listed. 図5は、図3の実施形態のA−Bに沿った横断面を示す。FIG. 5 shows a cross section along AB of the embodiment of FIG. 図6は、図3に示す構成の変形の概略横断面である。FIG. 6 is a schematic cross section of a modification of the configuration shown in FIG. 図7は、基板の薄膜に裂け目を有する、図6と同じ横断面を示す。FIG. 7 shows the same cross section as FIG. 6 with a tear in the thin film of the substrate. 図8は、試料部位での送達のために材料で満たされた空洞を備える、図6の横断面を示す。FIG. 8 shows the cross section of FIG. 6 with a cavity filled with material for delivery at the sample site. 図9は、分析電極の有効表面積が増大された、図6の横断面を示す。FIG. 9 shows the cross section of FIG. 6 with the effective surface area of the analysis electrode increased. 図10は、分析電極の有効表面積が増大された、図6の横断面を示す。FIG. 10 shows the cross section of FIG. 6 with the effective surface area of the analysis electrode increased. 図11は、鱗状角質層及び生存表皮組織を概略的に示すために簡略化されている、皮膚などの組織に接触している図6のセルを示す。FIG. 11 shows the cell of FIG. 6 in contact with tissue, such as skin, which has been simplified to schematically show scaly stratum corneum and living epidermal tissue. 図12は、関門組織の断裂後の図11のセルを示す概略図である。FIG. 12 is a schematic diagram showing the cell of FIG. 11 after barrier tissue rupture. 図13は、組織に接触している図8のセルを示す。FIG. 13 shows the cell of FIG. 8 in contact with tissue. 図14は、関門組織の断裂後の図11のセルの概略図を示す。FIG. 14 shows a schematic diagram of the cell of FIG. 11 after barrier tissue rupture. 図15は、体液のサンプリングに使用するセルを示す。FIG. 15 shows a cell used for sampling body fluid. 図16は、分析電極が配置されている空洞内に体液が進入することを可能にするために開かれている、図15のセルを示す。FIG. 16 shows the cell of FIG. 15 open to allow bodily fluids to enter the cavity in which the analysis electrode is located. 図17は、固体又は粉末のサンプリングに使用されるセルを示す。FIG. 17 shows a cell used for solid or powder sampling. 図18は、含まれている体液が乾燥した試料を浸し溶解することを可能にし、且つ分析電極に濃度が存在することを可能にするために開かれている、図17のセルを示す。FIG. 18 shows the cell of FIG. 17 open to allow the contained body fluid to soak and dissolve the dried sample and to allow a concentration to be present at the analysis electrode. 記載なしnot listed 図20は、コントローラ及び無線通信のいくつかの構成要素を示す、ブロック図である。FIG. 20 is a block diagram illustrating some components of the controller and wireless communication. 図21は、図8の空洞を満たし密封する実施形態を示す、デバイスのセルの部分の概略側面図である。FIG. 21 is a schematic side view of the cell portion of the device showing an embodiment that fills and seals the cavity of FIG. 図22は、デバイスの単一の空洞を満たすためのインターフェースの実施形態の概略上面図である。FIG. 22 is a schematic top view of an embodiment of an interface for filling a single cavity of a device. 図23は、デバイスの5つの空洞を同時に満たすためのインターフェースの実施形態の概略上面図である。FIG. 23 is a schematic top view of an embodiment of an interface for simultaneously filling the five cavities of the device. 図24は、デバイスの25の空洞を同時に満たすためのインターフェースの実施形態の概略上面図である。FIG. 24 is a schematic top view of an embodiment of an interface for simultaneously filling the 25 cavities of the device. 図25は、対象の異常な生物化学状態を監視し治療する方法の実施形態を示す、フロー図である。FIG. 25 is a flow diagram illustrating an embodiment of a method for monitoring and treating an abnormal biochemical state of a subject. 図26は、デバイスに電極を成長させる方法の実施形態の概略図である。FIG. 26 is a schematic diagram of an embodiment of a method for growing an electrode on a device. 図27は、デバイスの電極上に成長したナノチューブ配列の実施形態の概略図である。FIG. 27 is a schematic illustration of an embodiment of a nanotube array grown on an electrode of a device. 図28は、ナノチューブが被覆された後のナノチューブ配列の概略図である。FIG. 28 is a schematic view of the nanotube array after the nanotubes have been coated. 図29は、デバイスの実施形態の上面概略図である。FIG. 29 is a schematic top view of an embodiment of a device. 図30は、図29の線XXX−XXXに沿って取った横断面図である。30 is a cross-sectional view taken along line XXX-XXX in FIG. 図31は、製造中の図29の複数のデバイスの上面概略図である。31 is a schematic top view of the devices of FIG. 29 being manufactured. 図32は、歯科用途に使用されてもよい、手持ち式サンプリング装置の実施形態の概略図である。FIG. 32 is a schematic diagram of an embodiment of a hand-held sampling device that may be used for dental applications. 図33は、図32の手持ち式サンプリング装置と共に使用されてもよい、一対のプラグの実施形態の概略図である。FIG. 33 is a schematic diagram of a pair of plug embodiments that may be used with the handheld sampling device of FIG. 図34は、微小毛細管を基礎とする歯科探針デバイスの実施形態の概略図である。FIG. 34 is a schematic illustration of an embodiment of a microprobe-based dental probe device.

Claims (132)

対象の生物学的状態を監視する方法であって、
サンプリング、分析及び送達デバイスのセンサを、標的生体分子を含む物質に曝露する工程と、
該センサに電気信号を供給する工程と、
該電気信号に応答して、該センサにおいて電気特性を測定する工程と、
該測定された電気特性を該生物学的状態と関連付ける工程と、
該測定された生物学的状態が正常であるかまたは異常であるかを判定する工程と、
該測定された生物学的状態が異常である場合、信号を生成する工程と
を含む、方法。
A method for monitoring a biological state of a subject comprising:
Exposing the sensor of the sampling, analysis and delivery device to a substance comprising the target biomolecule;
Supplying an electrical signal to the sensor;
Measuring electrical characteristics at the sensor in response to the electrical signal;
Associating the measured electrical property with the biological state;
Determining whether the measured biological condition is normal or abnormal;
Generating a signal if the measured biological condition is abnormal.
前記生成された信号に応答して、前記サンプリング、分析及び送達デバイス内部の空洞から前記物質まで材料を送達する工程
を更に含む、請求項2に記載の方法。
3. The method of claim 2, further comprising delivering material from a cavity within the sampling, analysis and delivery device to the substance in response to the generated signal.
前記物質を前記材料の有効性に関して分析する工程
を更に含む、請求項3に記載の方法。
4. The method of claim 3, further comprising analyzing the substance for the effectiveness of the material.
前記測定された生物学的状態が正常であるかまたは異常であるかを前記判定する工程は、該測定された生物学的状態を正常な健康ベースライン状態(normal healthy baseline condition)と比較する工程を含む、請求項1に記載の方法。 The step of determining whether the measured biological state is normal or abnormal comprises comparing the measured biological state to a normal health baseline condition. The method of claim 1 comprising: 前記標的生体分子は、グルコース、乳酸塩、ビリルビン、エタノール、ピルビン酸塩、及びシトクロムP−450 2A6酵素からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the target biomolecule is selected from the group consisting of glucose, lactate, bilirubin, ethanol, pyruvate, and cytochrome P-450 2A6 enzyme. 前記標的生体分子は、グリコシル化ヘモグロビン及びグリコシル化タンパク質、インスリン、コレステロール、C反応性タンパク質、ホモシステイン、オレキシン、P.falciparumのヒスチジンリッチ・タンパク質2、寄生生物の乳酸デヒドロゲナーゼ、前立腺特異的抗原、前立腺膜特異的抗原、エストロゲン、上皮成長因子、インスリン成長因子、血球凝集素、ノイラドミニダーゼ、開裂したカスパーゼ−3の17kDaサブユニット、p54様のタンパク質、免疫グロブリン、麻酔剤、レプチン、グレリン、ビタミン、葉酸、クレアチン・キナーゼ、トロポニン、C反応性タンパク質、腫瘍壊死因子受容体1及び2、クレアチン・ホスホキナーゼ、クレアチニン、トロポニン、インターロイキン1、2及び6、インターロイキン−2受容体、腫瘍壊死因子−アルファ、n−ニトロソアミン、ニコチン、コチニン、アヘン剤、コカイン、及び胞子代謝産物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The target biomolecules include glycosylated hemoglobin and glycosylated protein, insulin, cholesterol, C-reactive protein, homocysteine, orexin, P.I. falciparum histidine rich protein 2, parasite lactate dehydrogenase, prostate specific antigen, prostate membrane specific antigen, estrogen, epidermal growth factor, insulin growth factor, hemagglutinin, neuradminidase, cleaved caspase-3 17 kDa Subunit, p54-like protein, immunoglobulin, anesthetic, leptin, ghrelin, vitamin, folic acid, creatine kinase, troponin, C-reactive protein, tumor necrosis factor receptors 1 and 2, creatine phosphokinase, creatinine, troponin , Interleukins 1, 2 and 6, interleukin-2 receptor, tumor necrosis factor-alpha, n-nitrosamine, nicotine, cotinine, opiates, cocaine, and spore metabolites. Recorded in Method of. 前記標的生体分子は、インフルエンザ・ウィルス、複数の硬化症ウィルス、デング熱、マラリア、HIV、及び結核からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the target biomolecule is selected from the group consisting of influenza virus, multiple sclerosis viruses, dengue fever, malaria, HIV, and tuberculosis. 前記電気特性は、電流、静電容量、抵抗、電圧様電位、及び起電力からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the electrical property is selected from the group consisting of current, capacitance, resistance, voltage-like potential, and electromotive force. 前記電気特性は電流である、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the electrical property is current. 生化学物質を含む物質をサンプリングする工程と、
一対の電極を用いて該物質を分析する工程であって、該一対の電極は支持基板上に配置されている、工程と、
コントローラを用いて、該サンプリングする工程及び該分析する工程を制御する工程と、
該コントローラと遠隔デバイスとの間で情報を通信する工程と
を含む、生体分子監視の方法。
Sampling substances including biochemical substances;
Analyzing the substance using a pair of electrodes, the pair of electrodes being disposed on a support substrate; and
Using a controller to control the sampling and analyzing steps;
Communicating information between the controller and a remote device.
前記サンプリングする工程は、前記一対の電極を用いて保護部材を断裂する工程を含む、請求項10に記載の方法。 The method according to claim 10, wherein the sampling step includes a step of tearing a protective member using the pair of electrodes. 前記サンプリングする工程は、別の対の電極を用いて保護膜を断裂する工程を含む、請求項10に記載の方法。 The method according to claim 10, wherein the sampling includes tearing the protective film using another pair of electrodes. 前記保護膜は関門組織を含む、請求項12に記載の方法。 The method of claim 12, wherein the protective film comprises a barrier tissue. 前記保護膜は角質層を含む、請求項12に記載の方法。 The method according to claim 12, wherein the protective film includes a stratum corneum. 前記支持基板は空洞を含み、前記サンプリングする工程は、前記物質を前記空洞内に吐き出させる工程を含む、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10, wherein the support substrate includes a cavity, and the sampling step includes expelling the substance into the cavity. 前記電極は少なくとも部分的に前記空洞内に配置されている、請求項15に記載の方法。 The method of claim 15, wherein the electrode is at least partially disposed within the cavity. 前記物質に材料を送達する工程を更に含む、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10, further comprising delivering a material to the substance. 前記材料は、化学物質、薬剤、生体分子、タンパク質、ペプチド、及び遺伝物質からなる群からの少なくとも1つを含む、請求項17に記載の方法。 The method of claim 17, wherein the material comprises at least one from the group consisting of chemicals, drugs, biomolecules, proteins, peptides, and genetic material. 前記材料は前記物質と反応性である、請求項17に記載の方法。 The method of claim 17, wherein the material is reactive with the substance. 前記支持基板は空洞を含み、前記方法は、前記送達する工程まで該空洞内に前記材料を保存する工程を更に含む、請求項17に記載の方法。 The method of claim 17, wherein the support substrate comprises a cavity, and the method further comprises storing the material in the cavity until the delivering step. 前記通信する工程は前記遠隔デバイスと無線通信する工程を含む、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10, wherein the communicating comprises wirelessly communicating with the remote device. 前記情報は、前記コントローラから前記遠隔デバイスへの前記分析する工程の結果を含む、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10, wherein the information includes a result of the analyzing step from the controller to the remote device. 前記情報は、前記遠隔デバイスから前記コントローラへの命令を含む、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10, wherein the information includes instructions from the remote device to the controller. 少なくとも1つの生化学物質をサンプリングし、分析し、且つ/又は送達するためのシステムであって、
支持基板と、
該支持基板により支持され、複数の列及び複数の行内に配置されている複数のセルであって、該複数のセルの各々が、該化学物質をサンプリングし、分析し、且つ/又は送達するように構成されている、複数のセルと、
該複数のセルの各々と該生化学物質に関連する物質との相互作用を制御するように構成されており、複数の列アドレス導電性パス、複数の行アドレス導電性パス、及び複数のゼロ挿入力コネクタを経由して該複数のセルに接続されている、コントローラと、
該コントローラ及び外部デバイスと通信するように構成されている通信デバイスと
を含む、システム。
A system for sampling, analyzing and / or delivering at least one biochemical substance comprising:
A support substrate;
A plurality of cells supported by the support substrate and arranged in a plurality of columns and a plurality of rows, each of the plurality of cells sampling, analyzing, and / or delivering the chemical. A plurality of cells configured in
A plurality of column address conductive paths, a plurality of row address conductive paths, and a plurality of zero insertions are configured to control the interaction between each of the plurality of cells and a substance associated with the biochemical substance. A controller connected to the plurality of cells via a force connector;
A communication device configured to communicate with the controller and an external device.
前記セルの各々は、前記支持基板により支持されている一対の電極を含む、請求項24に記載のシステム。 25. The system of claim 24, wherein each of the cells includes a pair of electrodes supported by the support substrate. 前記対の電極の少なくともいくつかは、前記支持基板と前記物質との間に配置されている保護膜を断裂するように構成されている、請求項25に記載のシステム。 26. The system of claim 25, wherein at least some of the pair of electrodes are configured to rupture a protective film disposed between the support substrate and the material. 抵抗素子が、前記対の電極の中の前記少なくともいくつかの間に配置され、前記保護膜を断裂するように構成されている、請求項26に記載のシステム。 27. The system of claim 26, wherein a resistive element is disposed between the at least some of the pair of electrodes and configured to rupture the protective film. 前記セルの少なくともいくつかはそれぞれ、作用電極及び照合電極を含むセンサを含み、該作用電極は、電気化学的に活性化され前記物質に反応するように構成されており、電圧が該電極を横切って印加され且つ少なくとも該作用電極が該物質に曝露された場合に該物質の特性に対応する電気特性が生成され、前記コントローラは、該電極に対する一連の電気信号を制御するように構成されており、生成された該電気特性を受信する、請求項25に記載のシステム。 At least some of the cells each include a sensor that includes a working electrode and a reference electrode, the working electrode configured to be electrochemically activated and responsive to the substance, and a voltage across the electrode. Applied, and at least when the working electrode is exposed to the material, an electrical property corresponding to the property of the material is generated, and the controller is configured to control a series of electrical signals to the electrode. 26. The system of claim 25, wherein the generated electrical characteristic is received. 前記電気特性は、前記電極間に生成される電流である、請求項28に記載のシステム。 30. The system of claim 28, wherein the electrical property is a current generated between the electrodes. 前記物質の前記特性は、該物質中の生化学的検体のレベルである、請求項28に記載のシステム。 30. The system of claim 28, wherein the property of the substance is the level of a biochemical analyte in the substance. 前記物質の前記特性は物理化学的特性である、請求項28に記載のシステム。 30. The system of claim 28, wherein the property of the substance is a physicochemical property. 前記支持基板は可撓性であり、保護膜に接着するように構成されている、請求項24に記載のシステム。 25. The system of claim 24, wherein the support substrate is flexible and is configured to adhere to a protective film. 前記支持基板はポリマーを含む、請求項32に記載のシステム。 The system of claim 32, wherein the support substrate comprises a polymer. 前記保護膜は角質層であり、前記物質は該角質層の下に位置している間質液である、請求項32に記載のシステム。 The system according to claim 32, wherein the protective film is a stratum corneum, and the substance is an interstitial fluid located under the stratum corneum. 前記保護膜は関門組織である、請求項32に記載のシステム。 33. The system of claim 32, wherein the protective film is a barrier tissue. 前記複数のセルの少なくともいくつかが前記支持基板内部に空洞を含む、請求項24に記載のシステム。 25. The system of claim 24, wherein at least some of the plurality of cells include cavities within the support substrate. 前記空洞は、前記物質の試料を受容するように構成されている、請求項36に記載のシステム。 40. The system of claim 36, wherein the cavity is configured to receive a sample of the material. 前記空洞は、化学物質、薬剤、生体分子、タンパク質、ペプチド、及び遺伝物質からなる群からの少なくとも1つを含む材料を保存するように構成されている、請求項36に記載のシステム。 40. The system of claim 36, wherein the cavity is configured to store a material comprising at least one from the group consisting of chemicals, drugs, biomolecules, proteins, peptides, and genetic material. 前記材料は前記物質と反応性である、請求項38に記載のシステム。 40. The system of claim 38, wherein the material is reactive with the substance. 前記材料は較正基準である、請求項38に記載のシステム。 40. The system of claim 38, wherein the material is a calibration standard. 前記材料は気体、液体、又は固体である、請求項38に記載のシステム。 40. The system of claim 38, wherein the material is a gas, liquid, or solid. 前記コントローラは、前記複数のセルの各々に印加された電圧を制御するように構成されている、請求項24に記載のシステム。 25. The system of claim 24, wherein the controller is configured to control a voltage applied to each of the plurality of cells. 前記コントローラは、一度に前記複数のセルの1つだけに前記電圧を印加するように構成されている、請求項42に記載のシステム。 43. The system of claim 42, wherein the controller is configured to apply the voltage to only one of the plurality of cells at a time. 前記コントローラは、一度に前記複数のセルの2つ以上に前記電圧を印加するように構成されている、請求項42に記載のシステム。 43. The system of claim 42, wherein the controller is configured to apply the voltage to two or more of the plurality of cells at a time. 電源を更に含み、前記コントローラは、該電源を管理するように構成されている、請求項24に記載のシステム。 The system of claim 24, further comprising a power supply, wherein the controller is configured to manage the power supply. 前記電源が電池である、請求項45に記載のシステム。 46. The system of claim 45, wherein the power source is a battery. 前記通信装置は、前記外部デバイスと無線通信するように構成されている少なくとも1つの無線通信モジュールを含む、請求項24に記載のシステム。 25. The system of claim 24, wherein the communication device includes at least one wireless communication module configured to wirelessly communicate with the external device. 前記外部デバイスはコンピュータである、請求項24に記載のシステム。 The system of claim 24, wherein the external device is a computer. 物質の特性を分析するシステムであって、
支持基板と、
該支持基板により支持されている複数のセンサであって、
各センサが、該基板により支持されており、作用電極及び照合電極を含む一対の電極を含み、該作用電極は電気化学的に活性化され且つ該物質に反応するように構成されており、
ここで、該電極を横切って電圧が印加され、且つ少なくとも該作用電極が該物質に曝露された場合、該物質の該特性に対応する電気特性が生成される、複数のセンサと、
該電極への一連の電気信号を制御し、生成される該電気特性を受信するコントローラと、
を含む、システム。
A system for analyzing the properties of a substance,
A support substrate;
A plurality of sensors supported by the support substrate,
Each sensor is supported by the substrate and includes a pair of electrodes including a working electrode and a reference electrode, the working electrode configured to be electrochemically activated and responsive to the substance;
A plurality of sensors, wherein when a voltage is applied across the electrode and at least the working electrode is exposed to the material, an electrical property corresponding to the property of the material is generated;
A controller for controlling a series of electrical signals to the electrodes and receiving the generated electrical properties;
Including the system.
前記コントローラ及び外部デバイスと通信するための通信装置を更に含む、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, further comprising a communication device for communicating with the controller and an external device. 前記通信装置は、前記外部デバイスと無線通信するように構成されている少なくとも1つの無線通信モジュールを含む、請求項50に記載のシステム。 51. The system of claim 50, wherein the communication device includes at least one wireless communication module configured to wirelessly communicate with the external device. 前記外部デバイスはコンピュータである、請求項50に記載のシステム。 51. The system of claim 50, wherein the external device is a computer. 前記電気特性は、前記電極間に生成される電流である、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, wherein the electrical property is a current generated between the electrodes. 前記物質の前記特性は、該物質中の生化学的検体のレベルである、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, wherein the property of the substance is the level of a biochemical analyte in the substance. 前記生化学的検体はグルコースである、請求項54に記載のシステム。 55. The system of claim 54, wherein the biochemical analyte is glucose. 前記生化学的検体は乳酸塩である、請求項54に記載のシステム。 55. The system of claim 54, wherein the biochemical analyte is lactate. 前記生化学的検体はビリルビンである、請求項54に記載のシステム。 55. The system of claim 54, wherein the biochemical analyte is bilirubin. 前記物質の前記特性は物理化学的特性である、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, wherein the property of the substance is a physicochemical property. 前記物理化学的特性は前記物質のpHである、請求項58に記載のシステム。 59. The system of claim 58, wherein the physicochemical property is the pH of the substance. 前記物理化学的特性は前記物質中の溶存ガスレベルである、請求項58に記載のシステム。 59. The system of claim 58, wherein the physicochemical property is a dissolved gas level in the material. 前記支持基板は可撓性であり、保護膜に接着されるように構成されており、前記物質は、該支持基板の反対側の該保護膜の面上に配置されている、請求項49に記載のシステム。 50. The support substrate according to claim 49, wherein the support substrate is flexible and configured to adhere to a protective film, and the substance is disposed on a surface of the protective film opposite the support substrate. The system described. 各センサが、前記電極間に配置されている抵抗素子を更に含み、該電極及び該抵抗素子は、該各センサに接触している前記保護膜を断裂して、該保護膜の反対面上に配置されている前記物質が、少なくとも前記作用電極に接触することを可能にするように構成されている、請求項61に記載のシステム。 Each sensor further includes a resistive element disposed between the electrodes, the electrode and the resistive element tearing the protective film in contact with the respective sensors, on the opposite surface of the protective film 62. The system of claim 61, configured to allow the material being disposed to contact at least the working electrode. 前記保護膜は角質層であり、前記物質は該角質層の下に位置している間質液である、請求項61に記載のシステム。 The system according to claim 61, wherein the protective film is a stratum corneum and the substance is an interstitial fluid located under the stratum corneum. 前記保護膜は関門組織である、請求項61に記載のシステム。 62. The system of claim 61, wherein the protective film is a barrier tissue. 各センサが、前記支持層内部に空洞を更に含み、前記電極の少なくとも一部が該空洞内部に配置されており、該空洞が前記保護膜の反対面上に配置されている前記物質と連通することを可能にするために、該空洞が前記抵抗素子により開かれるように構成されている、請求項61に記載のシステム。 Each sensor further includes a cavity within the support layer, wherein at least a portion of the electrode is disposed within the cavity, and the cavity communicates with the material disposed on an opposite surface of the protective film. 64. The system of claim 61, wherein the cavity is configured to be opened by the resistive element to allow. 前記空洞は、前記物質の試料を受容するように構成されている、請求項65に記載のシステム。 66. The system of claim 65, wherein the cavity is configured to receive a sample of the material. 各センサが、前記支持基板内部に空洞を更に含み、該空洞は、化学物質、薬剤、生体分子、タンパク質、ペプチド、及び遺伝物質からなる群からの少なくとも1つを含む材料を保存するように構成されている、請求項49に記載のシステム。 Each sensor further includes a cavity within the support substrate, the cavity configured to store a material including at least one from the group consisting of chemicals, drugs, biomolecules, proteins, peptides, and genetic material. 50. The system of claim 49, wherein: 前記材料は前記物質と反応性である、請求項67に記載のシステム。 68. The system of claim 67, wherein the material is reactive with the substance. 前記材料は較正基準である、請求項67に記載のシステム。 68. The system of claim 67, wherein the material is a calibration standard. 前記材料は気体、液体、又は固体である、請求項67に記載のシステム。 68. The system of claim 67, wherein the material is a gas, a liquid, or a solid. 前記コントローラは、前記複数のセンサの各々に印加された前記電圧を制御するように構成されている、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, wherein the controller is configured to control the voltage applied to each of the plurality of sensors. 前記コントローラは、一度に前記複数のセンサの1つだけに前記電圧を印加するように構成されている、請求項71に記載のシステム。 72. The system of claim 71, wherein the controller is configured to apply the voltage to only one of the plurality of sensors at a time. 前記コントローラは、一度に前記複数のセンサの2つ以上に前記電圧を印加するように構成されている、請求項71に記載のシステム。 72. The system of claim 71, wherein the controller is configured to apply the voltage to two or more of the plurality of sensors at a time. 電源を更に含み、前記コントローラは、該電源を管理するように構成されている、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, further comprising a power supply, wherein the controller is configured to manage the power supply. 前記電源は電池である、請求項74に記載のシステム。 75. The system of claim 74, wherein the power source is a battery. 前記複数のセンサは、前記支持基板上に、複数の列及び複数の行を含むグリッド内に配列されており、前記システムは、該複数のセンサを前記コントローラに接続する複数の列アドレス導電性パス及び複数の行アドレス導電性パスを更に含む、請求項49に記載のシステム。 The plurality of sensors are arranged on the support substrate in a grid including a plurality of columns and a plurality of rows, and the system includes a plurality of column address conductive paths that connect the plurality of sensors to the controller. 50. The system of claim 49, further comprising: and a plurality of row address conductive paths. 前記複数のセンサを前記コントローラに接続するように構成されている複数のゼロ挿入力コネクタを更に含む、請求項49に記載のシステム。 50. The system of claim 49, further comprising a plurality of zero insertion force connectors configured to connect the plurality of sensors to the controller. 生体分子を含む物質の特性を感知するセンサであって、
基板により支持されており、作用電極及び照合電極を含む一対の電極であって、該作用電極は電気化学的に活性化され、該物質に反応するように構成されている、一対の電極、を含み、
該電極を横切って電圧が印加され且つ少なくとも該作用電極が該物質に曝露された場合、該物質の特性に対応する電気特性が生成される、
センサ。
A sensor that senses the characteristics of a substance containing a biomolecule,
A pair of electrodes supported by a substrate and including a working electrode and a reference electrode, the working electrode being electrochemically activated and configured to react to the substance; Including
When a voltage is applied across the electrode and at least the working electrode is exposed to the material, an electrical property corresponding to the property of the material is generated.
Sensor.
前記作用電極は、酵素を用いて電気化学的に活性化される、請求項78に記載のセンサ。 79. The sensor of claim 78, wherein the working electrode is electrochemically activated using an enzyme. 前記生体分子は、グルコース、乳酸塩、ビリルビン、エタノール、ピルビン酸塩、及びシトクロムP−450 2A6酵素からなる群から選択される、請求項79に記載のセンサ。 80. The sensor of claim 79, wherein the biomolecule is selected from the group consisting of glucose, lactate, bilirubin, ethanol, pyruvate, and cytochrome P-450 2A6 enzyme. 前記作用電極は、抗体を用いて電気化学的に活性化される、請求項78に記載のセンサ。 79. The sensor of claim 78, wherein the working electrode is electrochemically activated using an antibody. 前記生体分子はグリコシル化ヘモグロビン及びグリコシル化タンパク質、インスリン、コレステロール、C反応性タンパク質、ホモシステイン、オレキシン、P. falciparumのヒスチジンリッチ・タンパク質2、寄生生物の乳酸デヒドロゲナーゼ、前立腺特異的抗原、前立腺膜特異的抗原、エストロゲン、上皮成長因子、インスリン成長因子、血球凝集素、ノイラドミニダーゼ、開裂したカスパーゼ−3の17kDaサブユニット、p54様のタンパク質、免疫グロブリン、麻酔剤、レプチン、グレリン、ビタミン、葉酸、クレアチン・キナーゼ、トロポニン、C反応性タンパク質、腫瘍壊死因子受容体1及び2、クレアチン・ホスホキナーゼ、クレアチニン、トロポニン、インターロイキン1、2及び6、インターロイキン−2受容体、腫瘍壊死因子−アルファ、n−ニトロソアミン、ニコチン、コチニン、アヘン剤、コカイン、及び胞子代謝産物からなる群から選択される、請求項81に記載のセンサ。 The biomolecules include glycosylated hemoglobin and glycosylated protein, insulin, cholesterol, C-reactive protein, homocysteine, orexin, P.I. falciparum histidine rich protein 2, parasite lactate dehydrogenase, prostate specific antigen, prostate membrane specific antigen, estrogen, epidermal growth factor, insulin growth factor, hemagglutinin, neuradminidase, cleaved caspase-3 17 kDa Subunit, p54-like protein, immunoglobulin, anesthetic, leptin, ghrelin, vitamin, folic acid, creatine kinase, troponin, C-reactive protein, tumor necrosis factor receptors 1 and 2, creatine phosphokinase, creatinine, troponin 84. selected from the group consisting of: interleukins 1, 2 and 6, interleukin-2 receptor, tumor necrosis factor-alpha, n-nitrosamine, nicotine, cotinine, opiates, cocaine, and spore metabolites. In Sensor mounting. 前記生体分子は、インフルエンザ・ウィルス、複数の硬化症ウィルス、デング熱、マラリア、HIV、及び結核からなる群から選択される、請求項81に記載のセンサ。 82. The sensor of claim 81, wherein the biomolecule is selected from the group consisting of influenza virus, multiple sclerosis viruses, dengue fever, malaria, HIV, and tuberculosis. 前記電気特性は、電流、静電容量、抵抗、電圧様電位、及び起電力からなる群から選択される、請求項78に記載のセンサ。 79. The sensor of claim 78, wherein the electrical characteristic is selected from the group consisting of current, capacitance, resistance, voltage-like potential, and electromotive force. 前記電極間に配置されている抵抗素子を更に含み、該電極及び該抵抗素子は、少なくとも前記作用電極が前記物質に曝露されるように、少なくとも該作用電極と該物質との間に位置する保護膜を断裂するように構成されている、請求項78に記載のセンサ。 A resistance element disposed between the electrodes, wherein the electrode and the resistance element are at least a protection located between the working electrode and the material such that the working electrode is exposed to the material; 79. The sensor according to claim 78, configured to rupture the membrane. 前記保護膜は、前記センサに接触している角質層の死んだ皮膚細胞を含み、前記物質は、該角質層の下に位置している間質液を含む、請求項85に記載のセンサ。 86. The sensor of claim 85, wherein the protective film includes dead skin cells of the stratum corneum that are in contact with the sensor, and the substance includes interstitial fluid located under the stratum corneum. 前記基板は、その片面に接着剤を有する可撓性基板であり、該接着剤は、前記保護膜に接着するように構成されている、請求項85に記載のセンサ。 86. The sensor according to claim 85, wherein the substrate is a flexible substrate having an adhesive on one side thereof, and the adhesive is configured to adhere to the protective film. 前記基板はポリマーを含む、請求項87に記載のセンサ。 90. The sensor of claim 87, wherein the substrate comprises a polymer. 前記ポリマーはSU−8である、請求項88に記載のセンサ。 90. The sensor of claim 88, wherein the polymer is SU-8. 前記ポリマーはポリメチルメタクリレートである、請求項88に記載のセンサ。 90. The sensor of claim 88, wherein the polymer is polymethyl methacrylate. 前記ポリマーはポリジメチルシロキサンである、請求項88に記載のセンサ。 90. The sensor of claim 88, wherein the polymer is polydimethylsiloxane. 前記基板内部に空洞を更に含み、前記電極の少なくとも一部が該空洞内部に配置されており、該空洞が前記物質と連通することを可能にするために、該空洞が該抵抗素子により開かれるように構成されている、請求項85に記載のセンサ。 The substrate further includes a cavity, and at least a portion of the electrode is disposed within the cavity, the cavity being opened by the resistive element to allow the cavity to communicate with the material. 86. The sensor of claim 85, configured as follows. 前記空洞内部に含まれている材料を更に含み、該空洞は、該空洞が開かれた後に、前記作用電極として前記保護膜の反対側の面上の位置まで該材料を送達するように構成されている、請求項92に記載のセンサ。 And further comprising a material contained within the cavity, the cavity configured to deliver the material as a working electrode to a position on an opposite surface of the protective film after the cavity is opened. 94. The sensor of claim 92. 前記材料は、化学物質、薬剤、生体分子、タンパク質、ペプチド、及び遺伝物質からなる群からの少なくとも1つを含む、請求項93に記載のセンサ。 94. The sensor of claim 93, wherein the material comprises at least one from the group consisting of chemicals, drugs, biomolecules, proteins, peptides, and genetic material. 前記材料は前記物質と反応性である、請求項93に記載のシステム。 94. The system of claim 93, wherein the material is reactive with the substance. 前記材料は較正基準である、請求項93に記載のシステム。 94. The system of claim 93, wherein the material is a calibration standard. 前記材料は気体、液体、又は固体である、請求項93に記載のシステム。 94. The system of claim 93, wherein the material is a gas, liquid, or solid. 生化学物質含む物質をサンプリングするサンプリング・デバイスであって、
支持基板と、
該基板により支持されており、該支持基板と該物質との間に位置している保護膜を断裂するように構成されている一対の電極と
を含む、サンプリング・デバイス。
A sampling device for sampling substances containing biochemical substances,
A support substrate;
A sampling device comprising a pair of electrodes supported by the substrate and configured to rupture a protective film located between the support substrate and the material.
前記支持基板内部に空洞を更に含み、該空洞は、前記物質の試料を受容するように構成されている、請求項98に記載のサンプリング・デバイス。 99. The sampling device of claim 98, further comprising a cavity within the support substrate, the cavity configured to receive a sample of the material. 前記一対の電極の少なくとも一部は前記空洞に曝露される、請求項99に記載のサンプリング・デバイス。 100. The sampling device of claim 99, wherein at least a portion of the pair of electrodes is exposed to the cavity. 前記電極間に配置されている抵抗素子を更に含み、該抵抗素子は、前記保護膜を断裂するように構成されている、請求項98に記載のサンプリング・デバイス。 99. The sampling device of claim 98, further comprising a resistive element disposed between the electrodes, wherein the resistive element is configured to rupture the protective film. 前記保護膜は関門組織である、請求項98に記載のサンプリング・デバイス。 99. The sampling device of claim 98, wherein the protective film is a barrier tissue. 前記保護膜は角質層である、請求項98に記載のサンプリング・デバイス。 The sampling device according to claim 98, wherein the protective film is a stratum corneum. 前記支持基板は可撓性である、請求項98に記載のサンプリング・デバイス。 99. The sampling device of claim 98, wherein the support substrate is flexible. 前記支持基板はポリマーを含む、請求項104に記載のサンプリング・デバイス。 105. The sampling device of claim 104, wherein the support substrate comprises a polymer. 前記一対の電極をコントローラに接続するように構成されているゼロ挿入力コネクタを更に含む、請求項98に記載のサンプリング・デバイス。 99. The sampling device of claim 98, further comprising a zero insertion force connector configured to connect the pair of electrodes to a controller. 前記コントローラは、電源により前記電極に印加された電圧を制御するように構成されている、請求項106に記載のサンプリング・デバイス。 107. The sampling device of claim 106, wherein the controller is configured to control a voltage applied to the electrode by a power source. 前記電源が電池を含む、請求項107に記載のサンプリング・デバイス。 108. The sampling device of claim 107, wherein the power source comprises a battery. 物質中の生化学物質を分析するための方法であって、
センサの少なくとも作用電極を該物質に曝露する工程と、
該作用電極及び照合電極を横切って電圧を印加する工程と、
該電極を横切って該電圧を該印加する工程の結果として生成される電気特性を測定する工程と、
該測定された電気特性を該物質の特性と相関させる工程と
を含む、方法。
A method for analyzing biochemical substances in a substance,
Exposing at least the working electrode of the sensor to the substance;
Applying a voltage across the working and reference electrodes;
Measuring electrical properties generated as a result of applying the voltage across the electrode;
Correlating the measured electrical property with the property of the material.
前記物質の前記特性は、前記物質中の生化学的検体のレベルである、請求項109に記載の方法。 110. The method of claim 109, wherein the property of the substance is the level of a biochemical analyte in the substance. 前記物質の前記特性は物理化学的特性である、請求項109に記載の方法。 110. The method of claim 109, wherein the property of the substance is a physicochemical property. 前記電気特性は、電流、静電容量、抵抗、電圧様電位、及び起電力からなる群から選択される、請求項109に記載の方法。 110. The method of claim 109, wherein the electrical property is selected from the group consisting of current, capacitance, resistance, voltage-like potential, and electromotive force. 前記電気特性は前記電流である、請求項112に記載の方法。 113. The method of claim 112, wherein the electrical property is the current. 前記曝露する工程の前に、前記電極及び該電極間に配置されている抵抗素子に一連の電圧パルスを付与することにより、保護膜を貫通する毛細管を作製する工程を更に含む、請求項109に記載の方法。 110. The method according to claim 109, further comprising: prior to the exposing step, creating a capillary through the protective film by applying a series of voltage pulses to the electrode and the resistive element disposed between the electrodes. The method described. 前記物質を前記保護膜の下から前記毛細管を通じて吐き出させる工程を更に含む、請求項114に記載の方法。 115. The method of claim 114, further comprising the step of exhaling the substance from under the protective film through the capillary. 前記保護膜は関門組織を含む、請求項114に記載の方法。 115. The method of claim 114, wherein the protective film comprises barrier tissue. 前記保護膜は角質層を含む、請求項114に記載の方法。 115. The method of claim 114, wherein the protective film comprises a stratum corneum. 前記物質に対して材料を放出する工程を更に含む、請求項109に記載の方法。 110. The method of claim 109, further comprising releasing material to the substance. 前記材料は、化学物質、薬剤、生体分子、タンパク質、ペプチド、及び遺伝物質からなる群からの少なくとも1つを含む、請求項118に記載の方法。 119. The method of claim 118, wherein the material comprises at least one from the group consisting of chemicals, drugs, biomolecules, proteins, peptides, and genetic material. 前記材料は前記物質と反応性である、請求項119に記載の方法。 120. The method of claim 119, wherein the material is reactive with the substance. 前記物質の前記特性を遠隔デバイスへ無線通信する工程を更に含む、請求項109に記載の方法。 110. The method of claim 109, further comprising wirelessly communicating the property of the substance to a remote device. 送達デバイスの支持層内の空洞を満たすための方法であって、
孔が該空洞の上方に位置するように、該支持層上において中に該孔を有する密封層を配置する工程と、
材料で該空洞を満たす工程と、
該孔が該空洞から離れ且つ該空洞が該密封層により覆われるように、該支持層に対して該密封層を配置する工程と、
該密封層を該支持層に結合する工程と
を含む、方法。
A method for filling a cavity in a support layer of a delivery device comprising:
Disposing a sealing layer having the holes therein on the support layer such that the holes are located above the cavity;
Filling the cavity with a material;
Placing the sealing layer relative to the support layer such that the holes are spaced from the cavity and the cavity is covered by the sealing layer;
Bonding the sealing layer to the support layer.
前記空洞を前記満たす工程が、ガラス・キャリア内の孔が、前記密封層内の前記孔に実質的に合わせて配置されるように、該密封層に対して、中にレザーバ及び該孔を有する該ガラス・キャリアを配置する工程、ならびに前記材料で該レザーバを満たし、該材料が該レザーバから該ガラス・キャリア内の該孔及び該密封層内の該孔を通って流出し、該空洞を満たす工程を含む、請求項122に記載の方法。 The filling of the cavity has a reservoir and the holes therein for the sealing layer such that the holes in the glass carrier are substantially aligned with the holes in the sealing layer. Placing the glass carrier, and filling the reservoir with the material, and the material flows out of the reservoir through the holes in the glass carrier and the holes in the sealing layer to fill the cavity. 123. The method of claim 122, comprising a step. 前記支持層は、前記空洞に平行な少なくとも1つの毛細管孔を含み、該支持層に対して前記密封層を前記配置する工程は、該密封層を移動させて、該密封層内の前記孔を該支持層内の該毛細管孔に合わせて配置する工程を含む、請求項122に記載の方法。 The support layer includes at least one capillary hole parallel to the cavity, and the step of disposing the sealing layer relative to the support layer moves the sealing layer to position the hole in the sealing layer. 123. The method of claim 122, comprising the step of aligning with the capillary holes in the support layer. 物質の特性を分析するデバイスを製造する方法であって、
支持基板上に配置されている複数のコネクタと複数の電極との間を結線する工程と、
該複数の電極を高分子マトリクスに曝露する工程と、
接地に対して該複数の電極から選択された電極に電気化学ポテンシャルを付与する工程と、
該選択された電極を該高分子マトリクスで被覆する工程と
を含む、方法。
A method of manufacturing a device for analyzing a property of a substance, comprising:
Connecting between a plurality of connectors and a plurality of electrodes arranged on the support substrate;
Exposing the plurality of electrodes to a polymer matrix;
Applying an electrochemical potential to an electrode selected from the plurality of electrodes with respect to ground;
Coating the selected electrode with the polymeric matrix.
前記複数の電極を、前記第1の高分子マトリクスとは異なる第2の高分子マトリクスに曝露する工程と、
接地に対して前記複数の電極から他の選択された電極に電気化学ポテンシャルを付与する工程と、
該選択された電極を該第2の高分子マトリクスで被覆する工程と
を更に含む、請求項125に記載の方法。
Exposing the plurality of electrodes to a second polymer matrix different from the first polymer matrix;
Applying an electrochemical potential from the plurality of electrodes to another selected electrode with respect to ground;
126. The method of claim 125, further comprising coating the selected electrode with the second polymeric matrix.
前記コネクタはゼロ挿入力コネクタである、請求項125に記載の方法。 126. The method of claim 125, wherein the connector is a zero insertion force connector. 前記ゼロ挿入力コネクタは、前記支持基板の前面、後面、及び/又は側面上に配置されている、請求項127に記載の方法。 128. The method of claim 127, wherein the zero insertion force connector is disposed on a front surface, a rear surface, and / or a side surface of the support substrate. 前記高分子マトリクスは、前記物質に反応するための抗体を含む、請求項125に記載の方法。 126. The method of claim 125, wherein the macromolecular matrix comprises an antibody for reacting with the substance. 前記高分子マトリクスは、前記物質に反応するための酵素を含む、請求項125に記載の方法。 126. The method of claim 125, wherein the polymer matrix comprises an enzyme for reacting with the substance. 前記高分子マトリクスはレドックス電子メディエータを含む、請求項125に記載の方法。 126. The method of claim 125, wherein the polymeric matrix comprises a redox electron mediator. 前記コネクタはまた、前記デバイスが前記物質の前記特性の分析に使用されている場合、前記電極に電圧を供給するために使用される、請求項129に記載の方法。 129. The method of claim 129, wherein the connector is also used to supply a voltage to the electrode when the device is being used to analyze the property of the substance.
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