[发明专利]具有生长的毛细血管床的可植入式血管系统生物传感器及其用途

说明书

政府权利

本发明是通过政府的支持、在美国陆军研究办公室颁发的W911NF-07-1-0277下完成的。政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及可植入的生物相容性的生物传感器，其包括含有血管生成刺激因子以刺激毛细血管床穿过所述生物传感器生长并检测例如血液中的分析物的基质。

背景技术

本文中引用的所有出版物的全部内容以与每个单独的出版物或专利申请被具体和单独地指明通过引用的方式并入本文相同的程度通过引用的方式并入本文中。下面的描述包括可能对理解本发明有用的信息。这并不是承认任何本文所提供的信息是现有技术或与要求保护的发明相关或承认被明确或隐含引用的任何出版物是现有技术。

需要能够实时地检测出血液中的各种蛋白质、代谢物和离子的浓度的无线、可植入的传感器。将生物传感器直接植入组织内不利于这样的检测，因为它依赖于分子从血液至细胞间液至传感器的扩散。由于血液至传感器之间的距离导致此扩散过程需要大量的时间。因此，血液中的靶分析物的浓度变化和由所述传感器检测出的这样的浓度变化之间存在几十分钟至几小时的延迟。此外，由于组织反应导致被植入的装置在一厚层纤维组织内的最终包封(encapsulation)进一步阻碍了此类分子至板载(onboard)传感器的扩散。

本文描述的发明提出了一种技术，其用于将传感器芯片直接与血管系统(vascular system)接合以便通过在芯片内形成毛细血管床来实时检测血液中的物质。其结果是，血液中的目标分子至所述传感器的扩散与目标分子从毛细血管中的血液至它们供给的体内组织的扩散是在相同的生理尺度上发生的。

概述

本发明公开了一种多层芯片，其在凝胶状基质内嵌有微电极和/或其他微米/纳米传感器(如纳米机电系统、光谐振器等)。贯穿所述芯片垂直制造直径为20-50um的微加工毛细血管孔，并且所述孔被促进毛细血管床生长的基质填充。所述孔以类似于所述孔直径的尺寸间隔开。由所述芯片中传感器基质层的数量以及所述芯片中的毛细血管孔的数量来确定毛细血管床和传感器之间的交换区域。或者，所述芯片可以由一层构成，该层含有传感器电子器件、电源和通讯系统。毛细血管孔的数量被放大，以增加与分子的扩散交换。只要所述生物传感器基质的每个部分在毛细血管的10-20μm内就能确保实时检测。横向通道可以被蚀刻在芯片层之间，其偏离垂直的通孔。所述通道引导两个芯片层之间的毛细血管生长，并使得芯片上的光谱血液测量得以实施。一个芯片层可以包含发光二极管(LED)或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。所述第二层包括集成的一系列具有光谱过滤器(spectra filter)的光检测器。当VCSEL或LED发光于血管时，通过光检测器检测血流中的吸收率或荧光性。

附图说明

在参考附图中示出了示例性的实施方案。本文所公开的实施方案和附图意在被认为是说明性的而非限制性的。

图1是具有多层界面的生物传感器的横截面图，所述多层界面具有生长的血管。

图2是单层生物传感器的立体图，层上含有电子元件、通讯系统和电源。

图3是示例性血管生成传感器的特写(close up)立体图，该传感器执行血液光谱测量。

图4示出了图3中单层生物传感器芯片的电子元件的电路图。

发明详述