微型电子装置嵌入试纸


  研究人员正在研发的一次性诊断试纸能够为农村地区的医疗人员和患者提供更为详细的健康信息,例如艾滋病病毒携带者血液中的病毒含量等信息,但却不需要使用照相机、摄像机、计算机、手机等昂贵设备。

  目前,全民诊断公司(Diagnostics For All)和MC10公司这两家创业公司,还有伊利诺斯州大学的研究人员正在试图在一张试纸上集成实验室所有昂贵试剂的功能,这样既不增加重量,又不增加成本。这个研究小组研发柔软可变形LED灯阵列、光探测器和晶体管,也与医疗设备制造公司合作,将这些电子装置安装在医院的手术设备和病床监视器上。

  全民诊断公司研发一次性诊断试纸,其首席执行官乌纳•赖安(Una Ryan)表示:“很多人获得医疗护理的唯一方式就是靠医护人员走路或者骑自行车进入农村地区,并且携带他们需要的一切医疗设备。”纸造价低、重量轻并且可通过焚烧方式轻松处理掉。目前,这家公司已设计了一种邮票大小的试纸。这种试纸上面有一条条线槽,可以将血液和其他液体吸入一个区域并用化学物质处理,这样就会改变颜色,并表明,比如说肝酶水平升高了,就说明艾滋病患者用错了药物。这种简单的变色反应可以提供至关重要的信息,让医生了解患者是否处于危险之中。赖安说:“我们不需要水或者电。”

  全民诊断公司将于2011年在肯尼亚开始实地测试,测试这种肝酶试剂,每次测试的费用为几美分。很多患者将受益于健康信息,这些信息数量很大,不止是变色测试所提供的那些信息。赖安指出,他们的公司愿意为艾滋病病毒携带者和艾滋病患者以及医务人员提供有关病毒量的信息,并且不需要使用任何其他设备。在提供大量信息的同时,这种检验设备也具有很高的灵敏性,这一点至关重要。举例来说,要测试HIV/AIDS的是一个新生儿,那就只能抽一滴血而不是一小瓶血。

  目前,公司正与马萨诸塞州剑桥的电子创业公司MC10公司以及伊利诺伊州大学厄巴纳-香槟分校的研究人员合作,制造复杂的电子产品,包括光敏元件、晶体管和微型LED灯,可以用在测试纸上。MC10公司产品开发负责人罗兹•加法里(Rooz Ghaffari)表示,正在研发的检验设备上有LED灯,它发出的光线穿过的纸上区域就是进入发应孔(reaction wells)的位置,如果有某种疾病标记呈现,光电探测器阵列在另一侧探测到的光就会发生位移,而且有办法测量。试纸上的晶体管阵列可以处理这些信息,所产生的示值读数可通过另一组LED灯呈现。MC10公司和全民诊断公司从盖茨基金会获得10万美元的试验资金,用于研制一次性检验设备,监测艾滋病病毒携带者以及艾滋病患者的病毒量。

  加法里称:“我们想将所有这些组件都安装在一片试纸上。这种检验设备必须成本低性能高。此外,它还必须很薄,可以弯曲,而又不能牺牲(试纸)装置的强度。” 全民诊断公司的赖安认为,在试纸上安装这些电子装置并不会增加很多成本。原因是这种柔软可变形的电子装置,虽然效果与不能弯曲的同类产品一样好,但只使用极少的半导体材料,这就使传统电子装置显得很昂贵。

  柔软可变形的电子装置在制造上采用的化学蚀刻与冲压技术是伊利诺斯州大学材料学与工程学教授约翰•罗杰斯(John Rogers)研发的。他采取的方式并不是在一个相对较厚的半导体片上集成一组电子装置,而是利用了蚀刻技术,在片材表面制成并分离出多重薄层,这就使他制造出更多晶体管、太阳能电池或者其他装置,而所使用的材料数量一样多。一台全自动橡胶冲压机随后将这些单个的装置安装在柔软甚至可伸缩的基片上,这些基片包括纸、橡胶和织物。

  在本周刊登于《自然材料》在线版的一篇论文中,罗杰斯描述了利用柔软可变形电子装置制造一些设备原型,包括试纸上的光电探测器和LED灯阵列。他的实验室与MC10公司以及全民诊断公司正在研发这项技术。罗杰斯说:“我们的研究显示,在这些系统中,我们使用材料的方式能够带来的许多新性能可用于医疗。”

  罗杰斯同样与医疗设备供应商Baxter公司合作,研究的是静脉输液管,它集成了柔软可变形电子装置,可监视患者实际摄入的药物剂量。如果一袋静脉注射药物或者营养物被贴错标签,静脉输液管内的柔软化学传感器也可以发出警告信号。根据《自然材料》刊登的论文,罗杰斯的实验室还制造了一个类似的演示设备,即一个柔软的能够监视葡萄糖水平的静脉输液管。通常情况下,医院采用静脉注射方式将葡萄糖注入患者体内。

  赖安和加法里表示,电子诊断试纸的早期研究工作进展顺利,研究小组将进入第二个阶段。从盖茨基金会获得的100万美元将用于资助未来几个月的进一步研发以及商业化进程。进行实地测试面临的一个障碍就是供电问题,但检验设备只需运行几分钟时间,因此并不需要充满电的电池。加法里说,下一阶段研究工作的重点是在试剂上安装一次性薄膜电池。