MEMS微针阵列及其在生物医学上的应用 2013-02-18

1 引言

微机电系统（MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和 电源等于一体的微型器件或系统。MEMS的特点之一就是其涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科， 并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

微机电系统能够在传统仪器不能达到的微小空间中进行精密操作， 实现实时监测， 因而在生物医学中有着广泛的应用， 精确药物注射、临床监测、显微外科手术、微型植入系统等。MEMS技术的出现给生物医学带来了新的手段。微针阵列就是MEMS技术在医学上的一个重要应用。

微针（Micro needles）一般指通过微细加工工艺制作的， 尺寸在微米级， 直径在30～80Lm， 长度100Lm以上呈针状的结构， 材料可以为硅、聚合物、金属等。微针在生物医学领域有广泛的应用， 例如用于生物医学测量系统， 药物传输系统及微量采样分析系统等。微针不但体积微小， 而且在性能上具有常规方法所不可比拟的特性——精确， 无痛， 高效， 便利。这极大促进了生物医学的发展， 使该领域的仪器更具人性化。

为了更好地说明MEMS微针阵列的生物医学上的性能， 先介绍一下涉及到的人体皮肤的结构。人的外层皮肤， 由外向内， 依次是角质层， 表皮层和真皮层。角质外层的厚度在10～15Lm， 是死去细胞的组织， 是液体的屏障， 具有电绝缘性。下面是表皮（50～100Lm）， 包括活细胞， 但绕开了血管， 几乎不包括神经， 这层皮肤是相当于电解液的导电组织。再深层， 真皮形成了皮肤大部分的体积， 它不但包括活细胞， 而且包括神经和血管。这样， 微针刺穿皮肤10～15Lm， 而小于50～100Lm的深度， 可以提供穿过角质层的传送通道， 达到导电组织， 而由于刺不到深层组织的神经不会有痛感。

MEMS生物微针技术出现了并不是很长的时间， 目前我国国内这个方向的研究刚刚起步， 还很不 成熟， 踞国外研究的先进水平还有很大差距。下面就微针较为广泛的三个方面的应用原理及当前该技术的最新进展进行阐述。

2 微针阵列在生物医学上的应用

2.1 基于微针阵列的微电极

电极在生物医学测量工作中有着极为广泛的应用。电极的用途可以分为3大类型：（1）测量生物电 位的电极， 如测量脑电、心电、神经电位、肌肉及皮肤电位的电极;（2）测量某些组织的阻抗;（3）通过电极给一些组织和器官施加电刺激， 从而促使机体的某些部分发生一定变化， 如心脏起搏器中电极、穴位刺激电极等。随着电化学及微系统相关技术的迅猛发展， 微电极在各个领域被广泛使用。

现以生物电位电极为例， 介绍微针阵列电极的应用。

生物电位电极广泛应用于现代临床和生物医学应用（例如心电图 ECG， 脑电图 EEG 和电阻抗摄影EIT）。如果使用不适当地电极测量电子设备可能显示错误的数据， 因此电极的重要性是不容忽视的。

生物电位微针阵列电极可以刺穿皮肤的角质层， 这样避开了皮肤角质层高阻抗特性， 与普通电位电极比较， 不需要皮肤准备和电解凝胶， 更有利于长期测量使用。因此微针电极更方便可靠， 具有更小的阻抗， 而且预计有较小的电化学噪声。

微针电极的设计要考虑到皮肤的分层结构， 需要刺穿角质层， 刺入导电表皮层， 以避开角质层的高阻抗特性， 不能刺到真皮层（包括神经和血管）以避免疼痛和出血。这样， 微针刺入的深度大于10～15Lm小于50～100Lm， 在角质层产生一个无痛的电极-电解液界面并把活性细胞引起离子流转化成电流。

瑞典斯德哥尔摩皇家工程学院设计制作的微针阵列， 微针以硅为材料， 为了减少电极-电解液界面噪音， 微针覆盖上银- 氯化银（Ag-AgCl）， 只有AgCl和电解液接触。使用Ag的优点是低电阻率和 生物医学兼容性。微针直径在30～50Lm， 高度160Lm， 中间有一通孔。

微针电极通过一根导线和分析仪器相连。微针阵列中间设计一个通孔， 保证电极和导线的之间能够导电。用一个薄薄的圆盘进行封装， 环形胶带加固电极和皮肤的连接。

通过实验证明基于MEMS工艺的微针阵列生物电位电极比标准电极体积显著减小， 电极-皮肤-电极阻抗测量和EEG记录证明微针式电极不需要皮肤准备和电解凝胶就可获得比标准电极更好的性能。微针电极使用起来快速方便， 可以完成低生物电位的高质量记录。

2.2 经皮药物传输微针

虽然现代生物技术已生产出极为成熟和有效的药物， 但是许多药物的有效传输受到目前的传送技术（药品口服和注射）的限制。口服投药主要的问题就在于在胃肠道中药物的降解作用和通过肝脏药物的排出。另一种通常用的投药的途径是经过静脉注射， 这种方法在非医疗场所不易使用， 也不好维持和控制药物的释放， 并且对于患者来说不方便， 有痛感。通过皮肤传送药物是很吸引人的新型方法， 但是这种方法由于皮肤极差的渗透性受到限制。由上所述， 微针阵列提供一种新型传送药物的方法， 可以增强经皮肤对药物分子的传输， 实现高效、无痛投药。微针阵列刺入皮肤， 创造了通过角质层传输药物的导管， 一旦药物穿过角质层， 它就通过深层组织迅速扩散并被下面的毛细血管吸收， 形成投药系统。