MEMS Pentru Aplicatii Medicale Morosanu Silvia

8/13/2019 MEMS Pentru Aplicatii Medicale Morosanu Silvia

1/14

Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Ia iFacultatea de Electronic , Telecomunica ii i Tehnologia

Informa iei

~Microsisteme mecanicesimple pentru aplica ii

medicale~

-referat -

Masterand: MOROSANU SILVIAGrupa RC


2/14


3/14

- 3 -

Se creeaz o camer imunoizolant reprezentat de dou membranesemipermeabile, care s permit schimbul de nutrieni cu exteriorul. Urmeaz nchidereacamerei dup introducerea celulelor. Materialele membranei trebuie s asigure ofuncionare normal a celulelor ncapsulate, f r s permit recunoaterea lor din parteacorpului, deci evitarea funciilor de respingere.

Din punct de vedere tehnologic se pornete de la corodarea anizotrop a dou plachete de siliciu pn la obinerea unor membrane subiri cu grosimi de circa 10m.Aceste membrane sunt porozificate astfel nct se obin microcanale cu lungimi ntre 6-9m i diametre nanometrice. Se creeaz camera imunoizolant. Se acoper marginile plachetelor cu colagen sau albumin seric, se introduc celulele n cavitatei apoi selipesc plachetele de siliciu, nchiznd camera. Membranele semipermeabile din Si poros permit celulelor s funcioneze normal (absorb nutrieni din exteriori furnizeaz insulin prin membrana poroas).S-a demonstrat c celulele productoare de insulin au oviabilitate de aproximativ 8 zile pe substrat de Si poros, dar prezint o proliferaresuperioar n aceste 8 zile pe Si poros fa de substratul de latex, clasic utilizat n biochimie.

Fig 1.Dispozitiv de furnizare a insulinei prin ncapsularea celulelor secretoare deinsulin ntre dou membrane de Si-poros.


4/14

- 4 -

In figura de mai jos este prezentat un sistem implantabil in servicii medicale care

utilizeaza membrane de baza din aur pentru sigilarea individuala a rezervelor demedicamente.

FIG.1 Dispozitiv microcip pentru servicii medicale:viziune asupra electrodului sia rezervelor

Acest dispozitiv permite impachetarea individuala si sigilarea compusilor(componentelor), impreuna cu abilitatea de a accesa individual membranele pentrusigilarea rezervelor trecand la fixarea reactiei electrochimice(anod/catod).Obiectivul producerii dispozitivului MEMS este sa realizeze agenti terapeutici specifici dozati inmonstre in combinatii complexe.

Dispozitivul poate fi folosit pentru realizarea horminilor agentichimioterapeutici,analgezice,anestezice si alti agenti bioactivi.Orice dispozitiv facut pentru a fi de durata in aplicatiile din mediul liber trebuie sa

indeplineasca conditii riguroase de biocompatibilitate si biostabilitate.In primul rand,nutrebuie sa produca toxicitate pentru tesuturile inconjuratoare,si nu trebuie sa avariezetesutul local prin inducerea stresului mecanic.In al doilea rand,capacitatile dispozitivuluiMEMS pentru extragerea medicamentelor nu ar trebui sa fie compromise de tesuturileinconjuratoare.Specific,implantul trebuie sa tolereze expunere de durata pentru mediulfiziologic,de asemenea si rezistenta la impactul cu tesutul inconjurator si cu functiilesale(bioincompatibilitate).


5/14

- 5 -

Senzori de presiune n medicin

Se utilizeaz la microsisteme de msurare a tensiunii arterialei sunt introduseintravenos. Principiul de funcionare ai senzorilor de presiune utilizai n medicin este prezentat n schema urmtoare :

Atunci cnd sngele acioneaz asupra membranei de silicon a senzorului , apareo deformare a membranei ce acioneaz asupra elementului piezoelectric . Acesta dinurm transform deformarea mecanic n semnal electric .

n figura urmtoare se pot observa cele mai utilizate microsistemeelectromecanice pentru msurarea tensiunii arteriale :

Un senzor foarte utilizat n medicina este microsenzorul ce masoara presiuneasangelui.


6/14

- 6 -

Biomicrosisteme electromecanice

Se utilizeaz n special pentru sisteme de monitorizare la domiciliu , printreacestea numrndu-se : sisteme tip lab-on-a-chip , senzori chimici , controlere de debitsau microvalve .

n figura urmtoare este prezentat un sistem ce supravegheaz globulele roii dinsnge :

Un alt biomicrosistem electromecanic utilizat n medicin este biosenzorulamperometric de glucoz , numiti ROSADG01. Acesta poate detecta glucoza din sngen gam 10-20mM . Este fabricat ntr-o tehnologie planar ne-standard , utiliznd un filmsubire anodic de Al2O3 drept catalizatori strat absorbant . Detecia se realizeaz ntr-untimp mai mic de dou minute , iar proiectarea senzorului se bazeaz pe o celul Clarck cu patru electrozi .

Structura biosenzorului

Lay-out biosenzor


7/14

- 7 -

Tot n categoria biomicrosistemelor electromecanice intr i reelele matriciale de

microalveole suport pentru celule biologice :

Retele de microalveole pentru celule biologice (2x2 cm) si dimensiunea alveolei = 20 m si adancimi de 4 , 6 , 8 m

1.Microalveole pe substrat borosilicat vedere de sus prin masca2.Imagine SEM Microalveola pe substrat borosilicat .

Institutul de Biochimie Bucureti , mpreun cu Centrul de Nanotehnologii , aurealizat experimental nanostructuri pe siliciu (siliciu poros) cu proprieti de

biocompatibilitate , pentru aplicaii n domeniul biologiei .n cadrul proiectului s-au obinut:a. straturi de siliciu nanoporos cu porozitate medie de 35-50%, biocompatibile, pe

substraturi de siliciu de tip pi p+; b. tehnologii de modificare a suprafeei PS n scopul realizrii biocompatibilitatii

acestora: tratament termic n oxigen uscat; depunere straturi de carbon; depuneremonostrat de carbon; tratament de metilare cu hexametildisilazan; depunere strat decarbur de siliciu amorf din hexametildisilazan;

c. o matrice test pe siliciu utilizat pentru cultivarea de celule vii. n funcie destructura sa (dimensiunea porilori a fibrilelor de siliciu), siliciul poros poate fi clasificat

astfel: - siliciu microporos: pori > 50 nm;- siliciu mezoporos: pori: 5-50 nm;- siliciu nanoporos: pori: < 5 nm.

Bioreactivitatea siliciului poate varia cu porozitatea acestuia n felul urmtor:- filmele de siliciu microporos de porozitate sczut (P


8/14

- 8 -

- filme de hidroxiapatit vor crete pe suprafaa sa n vitroi n vivo;- filmele de siliciu mezoporos de nalt porozitate (P>70 %) manifest o

dizolvare/corodare substanial n vitroi n vivo, deci sunt biodegradabile;- siliciul neporozificat nu prezint depuneri de HPA dup expunerea la soluii

SBF, deci nu este bioactiv.

Centrul de Nanotehnologii Bucureti a proiectati realizat experimental un sistemintegrat de microrezervoare pe siliciu pentru eliberarea controlat electrochimic amedicamentelor .

Obiective:- proiectarea unor structuri cu numar variabil de microrezervoare, cu volum diferit, infunctie de aplicatii;-structuri experimentale cu retele de microrezervoare - obtinute prin corodarea anizotropaa siliciului;-experimentari pentru eliberarea substantelor active din rezervoare prin control

electrochimic, capacul avnd rol de anod.Sistem microfluidic integrat pentru analiz n vitro a fluidelor biologice cu

aplicaii n diagnoz i tratament medical . Scopul principal a fost realizarea unuimicrovscozimetru integrat ce poate nlocui dispozitivele convenionale folosite n biochimia medical, cu microsisteme programabile ce dau informaii rapide din cantitifoarte mici de fluide . n cazul fluidelor newtoniene tensiunea de tiere este direct propor ional cu viteza de alunecare, coeficientul de propor ionalitate fiind coeficientulde vscozitate dinamic.


9/14

- 9 -

Microvscozimetrul rotational si sistemul electromagneric de detectie a vscozitatii fluidelor biologice

Cnd dintele roii dinate pe care se afl un micromagnet se apropie de o perechede rezistori GMR sensitivi, rezistenta electric a acestora scade n timp ce rezistentaceleilalte perechi crete, i astfel se obine la ieirea punii o tensiune electric direct

propor ional cu vscozitatea fluidului .

Sistemul de microcanale cu rezervoare de intrare si iesire

Sistemul microfluidic este compus din :- sistem de microcanale cu rezervoare de intrarei ieire,- micromixeri microsplitter de fluide- microvscozimetru rotaional- sistem de detecie electromagnetic bazat pe nanostructuri cu valv de spin

(GMR) .


10/14

- 10 -

Principalele avantaje ale acestui sistem sunt reducerea volumului reactivilori acosturilori reducerea timpului de r spuns datorit volumelor micii concentratiilor maimari, posibilitatea de diagnosticare sigur , precum i posibilitatea de detecie multiagent. Punerea la punct a unor tehnologii de microprelucrare a siliciului n vederearealizrii unor componente micromecanice staticei dinamice pe siliciu, mpreun cu

sistemul de detecie magnetic deschide posibiltti ample de realizare n viitor a unormicrosisteme micro-electromecanice cu aplicare n domenii diverse: medicin, biologie,farmacie, mbuntirea calitii vieii.

Sistem microfluidic pentru analize biochimice ncorporeaz module de sortare,distribuire i livrare de biocelule marcate magnetic sau cu proprieti magneticeintrinseci. Conine: un vscosimetru pentru msur tori de vscozitate; microcanale curezervoare de intrarei ieire pentru transportul fluidelor; o micropompa, un micromixer,un microsplitteri o platform microfluidica pentru captarea, msurarea, manipulareaisortarea biomoleculelor marcate magnetic ntr-o matrice magnetoforetica de valve despin.

Platform cu valve de spin pentru separarea biomoleculelor realizeaz detecia biomoleculelor ataate unor micro sau nano particule magnetice precumi separareacelulelor n funcie de susceptibilitatea magnetic intrinsec .Avantaje :- Se poate manipula un numr mare de biomolecule independenti simultan ;- Se poate folosi pentru sortarea celulelor n gradieni mari de cmp magnetic, caregenereaz i micri de rotaie a particulelor ;- Se pot aplica for e electromagnetice de torsiune care induc tranziii structurale astfelnct mecanismele biologice s fie punctate (studiate) la nivel molecular .


11/14

- 11 -

Dispozitiv magnetoforetic pentru separarea celulelor din sange :

Imaginile au fost marite de 100 de ori. Se pot vedea clar valvele de spininterconectate cu fire de aur.

Dispozitivul menionat mai sus este format dintr-un magnet permanent de 2T, pomp peristaltic cu o rat de curgere ntre 0.5 and 0.6 ml/h , microscopihemacitometru pentru numrarea celulelor. Rezultatele obinute cu ajutorul acestuimicrosistem au fost urmtoarele :

- procentajul de celule roii captate este de peste 93% pentru dispozitivul pesiliciu;

- procentajul de celule roii captate este de peste 89% pentru dispozitivul pesticl;

- cele mai bune rezultate obinute n cazul structurilor feromagnetice de micidimensiuni;

Lab-on-chip


12/14

- 12 -

Este un dispozitiv cu ajutorul caruia se pot efectua teste in doar cateva secundeasupra unor cantitati mici de lichide corporale .Toate reactiile chimice au loc in interiorulcanalelor biochip-ului sau pe suprafata sa. Deoarece cartusul ce poarta chipul este deunica folosinta , se reduce riscul incrucisarii intre substante si astfel dispar completerorile ce pot aparea la sfarsitul testelor .

Senzori optici de detec ie, identificare i pozi ionare pentru microsisteme cu aplica iibiomedicale i de mediu

Principalele componente ale unui senzor optic pentru aplicatii biomedicalei demediu :

Senzori optici pe baz de fotodiode pentru analiza enzimelor

Elemente active ale matricii de fotodiode

Traductori optoelectronici

Cu ajutorul traductorilor optici se poate indic variaia unor parametri precum:coeficientul de absorbie a luminii, lungimea de und, indicele de refracie, grosimi aleunor straturi transparente. Ca exemplu, n figura urmtoare, este prezentat principiul dedetectare a albuminei serice cu un senzor optoelectronic.

Receptorul a fost imobilizat pe o membran de bromocresol transparent. Curgerea


13/14

- 13 -

biolichidului purttor de albumin a determinat captarea ei pe receptori. Cretereagrosimii stratului de analit se face ntre o surs de lumin (led) i un detector de lumin (fotodiod). Curentul prin fotodiod scade pe msur ce crete grosimea stratului dealbumin depus pe receptor.

Alte microsisteme electromecanice utilizate n medicin

Proteze auditive . O funcie esenial o reprezint separarea spectral a semnalelorn canale fizice diferite, conectate n diferite puncte la urechea intern . Exist pe pia mai multe arhitecturi :

- arhitecturi clasice: traductoare simple, converise digital, urmat de procesri intense desemnal => bateria se descrc rapid (~6h) ;- Arhitectur mai modern (Imperial College): nlocuiete procesarea digital cu ceaanalogic ;- O alt variant este propus de Akustica: procesare cu matrici acustice (matrici demicrofoane MEMS) .


14/14

- 14 -

Micropipetele sunt alte intrumente clasice miniaturizate .

Pentru a manevra membrana unei celule vii, se utilizeaz o micropipeta ca nfigura de mai sus. Dup o nclzire bine controlat a unui tub capilar de sticl sau cuar cudiametrul de aproximativ 1m se plaseaz pe membran. Dup r cire, prin conractiaaerului din capilar se poate trage de celul.

Bibliografie

http://arh.pub.ro/cravariu/Biodispozitive.dochttp://www.ruf.rice.edu/~rau/phys600/1959.pdfhttp://www.referatele.com/medicina/De-la-celula-vie-la-biodispozi529.phphttp://www.allflexinc.com/PDF/Medical%20Electronics-MEMS.pdfhttp://www.referat.ro

MEMS Pentru Aplicatii Medicale Morosanu Silvia

Documents

Transcript of MEMS Pentru Aplicatii Medicale Morosanu Silvia