用于探测环境状态的水凝胶基设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于探测环境状态，具体而言用于探测生物材料内的环境状态的 换能器设备。
[0002] 此外，本发明涉及包含所描述的换能器设备的医疗系统。
[0003] 再者，本发明涉及用于通过换能器设备来探测环境状态，具体而言探测生物材料 内的环境状态的方法。
【背景技术】
[0004] 能够监测小体积体液的高敏感性、选择性和鲁棒性的传感器是用于开发响应性药 物释放系统的关键部件之一。蛋白质工程和分子生物学使生物试剂的分子设计变得容易， 这些生物试剂作为感测元件被用于提供高选择性、良好响应时间和低探测极限的各种系 统。另外，生物传感器已被开发用于生理学相关分子，例如神经递质和荷尔蒙。
[0005] 刺激敏感水凝胶已经在致动器、传感器、药物释放和生物分离中见诸应用。这些 材料能够可逆地响应于外部刺激，该外部刺激引起对该材料的物理属性的明显可测量的影 响。已知水凝胶对pH、离子浓度、温度、溶剂组分以及电势敏感。水凝胶也可以设计成在存 在目标分子时膨胀。水凝胶可以构造成使得膨胀的幅值可以与所存在配体的浓度成比例。
[0006] 刺激敏感水凝胶在用于药物释放的可植入微型系统中的应用从US 2004/024832 得知，其中流动经过通道的流体被水凝胶响应于与该水凝胶接触的介质内的预定刺激所调 节。可逆体积变化导致该通道的可逆选通，这允许该微型部件充当主动型微阀。按照这种 方式，水凝胶致动的微阀响应于预定化合物而将水凝胶体积变化耦合到通过膜来开启和关 闭该通道。
[0007] US 2002/0155425披露了一种用于在活体内探测体液内分析物的可植入生物传感 器。该生物传感器包含分析物敏感水凝胶细丝，其化学地配置成根据患者体液内分析物浓 度变化而改变其位移容积。置于该生物传感器内部的光度位移换能器配置成量化探测该水 凝胶细丝的位移容积变化，例如通过探测光感受器上的光强度，该光感受器布置成依赖于 水凝胶细丝的位移而强度变化的光。
[0008] WO 01/16575披露了一种生物传感器，其具有位于刚性且优选地生物兼容的外壳 内的水凝胶。通过使用压力换能器测量水凝胶压力的变化，该生物传感器能够精确测量游 离葡萄糖的浓度。
[0009] US 2002/0197456披露了一种生物芯片，其包含用于分析置于生物芯片上的生物 样品的多个传感器。每个传感器包含一个或多个光源以及一个或多个光学探测器。
[0010] 该已知系统的缺点在于，其仅能够进行药物释放而不能精确监测体腔外部和/或 内部的生理参数。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种用于探测环境状态或者环境状态的变化、具体而言用于 探测生物材料内的环境状态的换能器设备，该换能器设备能够精确监测体腔外部和/或内 部的生理参数。本发明由独立权利要求限定。优选实施例由从属权利要求限定。
[0012] 该目的是通过根据本发明的换能器设备来实现的，其中该换能器设备包含：通道， 该通道包含液体；水凝胶材料，该水凝胶材料适于在与环境材料接触时和/或在探测到环 境变化时改变其体积，且该水凝胶材料机械地耦合到该通道，以使得当该水凝胶材料的体 积变化时，该通道的容积变化；以及传感器，该传感器适于在探测到由该通道的容积变化引 起的该液体的光学属性改变时产生信号。
[0013] 该水凝胶材料适于对可以是物理、化学或生物属性、条件或对象的环境状态和/ 或环境状态变化敏感。水凝胶材料的环境(例如温度或pH)变化和/或与例如特定分子的 环境材料的接触，引起水凝胶材料的体积变化。响应于水凝胶材料的体积变化，由于水凝胶 材料和通道之间的特定机械接触，通道的容积也变化。该通道的容积变化将影响通道内液 体的物理属性，例如流量或透明度。该传感器探测该液体的光学属性变化且由此产生信号。 按照这种方式，该换能器设备在该水凝胶材料对环境变化有反应和/或与环境材料接触的 情况下产生信号，其中该水凝胶材料对此二者均敏感。由根据本发明的换能器设备的传感 器产生的信号实际上是对该换能器设备的环境变化和/或环境材料的监测。该信号可用于 不同目的，例如用于触发例如药物释放或存储数据在存储器内供医学专家以后使用这样的 事件。通过在体腔内应用根据本发明的换能器设备，可以精确监测该水凝胶材料所敏感的 生理参数。还可以将该换能器设备应用到体腔之外，以例如监测体腔外的患者血液。该液 体可以是属性受环境状态和/或环境材料影响的待监测的材料或者承载流体。
[0014] 该目的还通过一种用于通过换能器设备探测环境状态，特别是用于探测生物材料 内的环境状态的方法来实现，该换能器设备包含水凝胶材料以及含有液体的通道，该方法 包含下述步骤： 使该换能器设备与该生物材料接触，以使得水凝胶材料改变其体积，引起该通道的容 积变化， 在探测到由该通道的容积变化引起的该流体的光学属性改变时产生信号。
[0015] 该目的还通过一种医疗系统来实现，该医疗系统包含根据本发明的换能器设备， 以及药物释放设备，该药物释放设备耦合到该换能器设备且该药物释放设备适于在由该换 能器设备的信号触发时释放特定量的药物。按照这种方式，根据本发明的换能器设备的监 测功能有利地用于触发药物释放。
[0016] 在根据本发明的换能器设备的另一实施例中，该换能器设备还包含光源，该光源 适于照射光到该通道内，以及其中该传感器适于测量该通道内液体的光学属性变化。该通 道的容积变化影响该液体的光学属性，诸如例如光吸收，因为在水凝胶材料的体积变化时 该液体内光路径长度变化了。
[0017] 在根据本发明的换能器设备的实施例中，该换能器设备包含基板，其中传感器集 成在该基板内，以及该通道和水凝胶材料形成在该基板上。按照这种方式，获得了一种紧凑 和小尺寸的换能器设备，该换能器设备例如可以有利地在体腔内应用。在优选实施例中，该 光源集成在基板内。
[0018] 在本发明的换能器设备的实施例中，该换能器设备还包含与该传感器电接触的电 子电路。按照这种方式，换能器设备的功能性得以增强。例如，该电子电路包含用于存储由 该传感器产生的信号的存储设备。
[0019] 在根据本发明的换能器设备的实施例中，该换能器设备还包含发射机单元，该发 射机器单元适于与外部接收单元进行通信。按照这种方式，换能器设备例如可以在体腔内 应用，而无需用于控制该换能器设备或者用于接收该传感器的信号的引线。
【附图说明】
[0020] 本发明的这些和其他方面将参考附图进一步阐明和描述，其中： 图Ia为根据本发明的换能器设备的实施例的截面图； 图Ib为图Ib所示换能器设备的一部分的透视图； 图2a和2b为根据本发明的换能器设备的第二实施例的截面图； 图3a和3b为根据本发明的换能器设备的第三实施例的截面图；以及 图4为根据本发明的换能器设备的第四实施例的截面图。
[0021] 附图未按比例绘制。一般而言，相同部件在附图中使用同一参考符号表示。
【具体实施方式】
[0022] 刺激敏感水凝胶材料在致动器、传感器、药物释放、生物分离和生物医学中见诸应 用。这些材料能够可逆地响应于外部刺激，其中该外部刺激引起对该材料的物理属性的明 显可测量的影响。已知水凝胶材料对PH、离子浓度、温度、溶剂组成以及电势敏感。这些