基于PDMS微流控芯片的组织液透皮抽取方法及系统研究

摘要

组织液透皮抽取式连续血糖检测技术作为一种微创、连续、实时、动态的血糖检测技术，已经成为连续血糖检测领域的研究热点。在组织液透皮抽取式连续血糖检测技术研究中，透皮抽取出的组织液量非常微小，导致对微量组织液的有效抽取、收集、输运、体积定量和对葡萄糖浓度的检测存在很大难度。只有通过微流控芯片技术实现组织液透皮抽取、收集和定量等功能模块的微型化、集成化，才能建立起研究组织液透皮抽取式连续血糖检测中的科学问题和关键技术所必须的实验装置，并进一步推动组织液透皮抽取式连续血糖检测仪器的微型化、实用化和临床应用。因此，本文将组织液透皮抽取方法的研究与微流控芯片技术有机结合起来，开发了芯片级的组织液透皮抽取系统，研究解决了组织液透皮抽取、收集和定量中的关键技术问题。
　　 本文首先提出了一种用PDMS加工的文氏管。从流体力学的角度分析了文氏管各部分结构参数对其输出负压与输入压强关系的影响，并通过实验验证分析了理论推导和经典标准的结论，总结了文氏管结构优化的方法，给出了适合系统小型化，满足驱动组织液透皮抽取和微管路中流体输运要求的文氏管结构。
　　 提出了一种微量导电液体流量计。在检验双电极对型微流量计测量匀速和匀加速导电液体体积性能的基础上，分析了影响双电极对型微流量计精度、稳定性和小型化的因素，进而提出了四电极对型微流量计结构，并通过实验检验了四电极对型微流量计控制生理盐水定量注入和测量微量导电液体体积的性能，结果表明：四电极对型微流量计能够稳定(CV=0.0041，n=20)的控制9.70μL生理盐水实现定量注入，能够对0-3μL生理盐水实现高精度体积测量，绝对测量误差小于0.17μL，特别是对1.50μL以下生理盐水体积的绝对测量误差小于0.04μL。
　　 提出了一种气动微流体控制阀。采用PDMS设计加工的气动微流体控制阀的关闭压强大约为60 kPa，与理论推导计算得到的关闭压强62.85 kPa十分接近。在95 kPa真空负压驱动下，微管路内生理盐水的流/停控制可以通过气动微流体控制阀阀膜顶部压强在170 kPa和大气压之间的切换实现。
　　 提出了一种将文氏管、微流量计、气动微流体控制阀、腔体和微管路集成在一起的系统结构。通过PDMS键合技术，采用层状结构实现了系统核心部件的集成。通过离体猪皮组织液透皮抽取模拟实验发现，系统在其内部文氏管输出负压的驱动下，能够连续、自动的完成生理盐水的定量注入功能、透过低频超声预处理的猪皮抽取含糖生理盐水的功能、无损收集样品溶液的功能和精确测量透皮抽取出的含糖生理盐水体积的功能，体积测量的绝对偏差低于0.05μL，达到了提高组织液葡萄糖浓度预测精度的目标。