基于MEMS技术的胰岛素集成系统的研究

论文摘要

生物MEMS（Bio-MEMS）是将MEMS技术应用在生物、医学领域,研究适合于生物领域的微器件和微制造系统。基于MEMS技术的胰岛素集成系统是一种微流控释系统,它是Bio-MEMS的一个典型应用,已经成为Bio-MEMS技术研究发展中最具吸引力的重要领域。胰岛素集成系统中的微针阵列和压电微泵代替了传统胰岛素泵中的机械泵和注射器,它们可以像集成电样用微电子工艺技术进行大规模生产,这样可以大大降低器件的成本,提高器件的稳定性与可靠性。本文的研究内容和创新如下:研究了微针微通道内的流体力学特性,分别以药剂和血液为流体对象,建立了毛细圆管水流模型和血流数学模型,分析了微流体在微针管道中压降特性,这对理解、设计微流控释系统提供了重要的理论依据。通过分子动力学方法研究了微流体在具有”荷花效应”的微流通道中的流动特性,从理论的角度分析了表面修饰对于微流控释的重要性,并通过实验证明胰岛素溶液和硅油在经过表面修饰后的微针通道中的流动性要好于没有经过表面处理的微针通道。在比较国内外不同材质、结构的微针优劣的基础上,提出了一种新型微针—异面直壁空心微针阵列。微针阵列整个芯片大小9×9 mm2,由15×15根微针组成,微针内径30μm,外径80μm,高200μm,间距250μm。微针阵列选用单晶硅材料制作,具有生物兼容性和药液释放性好等优点。研究采用MEMS技术实现微针阵列的制备的工艺,重点对高深宽比的硅基通孔和微针针尖的加工工艺进行了研究。研究了利用柔性衬底技术制作微针阵列的新工艺,对微针的柔性基底进行了弯曲测试。对微针阵列的封装材料和工艺进行了研究,从而保证防尘、防泄漏、流体输注顺畅,满足医用级封装要求。开展了基于MEMS技术的闭环胰岛素系统的集成研究,将血糖仪与胰岛素泵有机的结合起来,从仪器微型化、低功耗等方面考虑,给出了系统的整体设计。根据仿生学原理,模拟人体胰腺编制了注射方案程序,提供了辅助治疗的专家系统。通过经皮实验、离体皮肤实验和动物活体实验,证明基于MEMS技术的胰岛素集成系统对糖尿病的治疗有着很好的应用前景。本文旨在研究基于MEMS技术的闭环胰岛素集成系统,为Bio-MEMS系统的实用化提供一点新思路,推动现代医疗技术向前发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 生物微机电系统（BIO-MEMS）
• 1.2 研究内容及意义
• 1.3 课题来源和论文的组织结构
• 2 微流体输送理论研究
• 2.1 MEMS 的尺寸效应和表面力研究
• 2.2 微流管道中的流体特性研究
• 2.3 微针阵列的流体特性实验与分子动力学模拟研究
• 2.4 本章小结
• 3 基于MEMS 技术的微针阵列的设计
• 3.1 硅基异面空心微针阵列的技术研究
• 3.2 MEMS 硅基微针设计
• 3.3 本章小结
• 4 基于MEMS 技术的微针阵列的工艺实现
• 4.1 硅材料的力学特性研究
• 4.2 薄膜材料的力学特性研究
• 4.3 微针阵列制作的工艺实现
• 4.4 本章小结
• 5 基于MEMS 技术的闭环胰岛素泵的集成研究
• 5.1 基于MEMS 技术闭环胰岛素泵系统设计
• 5.2 基于MEMS 技术的胰岛素泵总体设计
• 5.3 胰岛素泵执行器件研究
• 5.4 本章小结
• 6 基于MEMS 技术闭环胰岛素泵的实验研究
• 6.1 微针阵列的经皮试验试验研究
• 6.2 基于MEMS 技术的胰岛素泵的输注实验研究
• 6.3 基于MEMS 技术的胰岛素泵的生物皮肤实验研究
• 6.4 基于MEMS 技术的胰岛素泵的动物活体实验研究
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录
• 附录2 “闭环胰岛素注射系统动物活体实验”报告