حسگر فشار بی سیم بر استنت پلیمر زیست تخریب پذیر در حوزه زیست پزشکی
این مقاله ساختار و مشخصه های یک حسگر فشار خون بی سیم را برای کاربردهای استنت هوشمند تفسیر می کند. حسگر فشار میکروسازه دارای مساحت 3.13×3.16 نانومتر و یک پلیمر SU-8است. این حسگر فشار بی سیم شامل یک مدار رزونانس می شود که میتواند بدون استفاده از منبع تغذیه داخلی مورد استفاده قرار گیرد. تغییرات خازنی ناشی از تغییرات فشار خون عروقی باعث تغییر فرکانس رزونانس حسگر میشود. این تغییر را میتوان با استفاده از آنتن بیرونی تشخیص داد، بنابراین اندازه گیری تغییرات فشار داخل لوله با یک مدار ساده خارجی امکان پذیر است. حسگر فشار بی سیم قادر به اندازه گیری فشار از 0 تا 230 میلیمتر جیوه با 0.043 مگاهرتز/ میلیمتر جیوه است. زیست سازگاری این حسگر با استفاده از سلول های قلبی ایزوله شده از میوسیت های بطنی نوزادان موش صحرایی مورد بررسی قرار گرفت. پس از قرار دادن یک استنت فلزی با حسگر فشار در عروق قلبی حیوان، از سیستم های پزشکی مانند اشعه ایکس برای کنترل مداوم وضعیت رگ های خونی استفاده شد. با این وجود، تقریبآ یک ماه هیچ گونه اختلالی در رگ های خونی حیوان مشاهده نشد. علاوه براین، یک استنت پلیمری زیست تخریب پذیر (پلی کاپرولاکتون) با چاپگر سه بعدی نیز ساخته شد. حسگر فشار در استنت پلیمری در مقایسه با استنت فلزی از حساسیت بهتری برخوردار است.
فناوری سیستم میکروالکترومکانیکی (MEMS) در سطوح بالایی از تلفیق و تولید فیلم نازک کاربرد دارد. با استفاده از این مشخصه ها، در حوزه بیوتکنولوژی (یا ایمپلنت پزشکی) نیز کاربرد دارد؛ این روند باعث شده است تا مطالعات اخیر بر دستگاه های فعال قابل نصب تمرکز کنند. این دستگاه های فعال دارای عملکرد گسترده ای هستند زیرا مدارهای الکترونیکی و دستگاه های منبع تغذیه با هم ادغام شده اند. با این حال پیچیدگی آنها، روش های مختلف بسته بندی و عدم قابلیت اتصال آنها به دستگاه های مختلف همچنان دارای اشکالاتی است. از این رو، باتوجه به محدودیت های دستگاه های منبع تغذیه یکپارچه، چنین دستگاه هایی برای کاشت در بدن انسان یا عروق خونی مناسب نیستند. به عبارت دیگر، دستگاه های غیرفعال برای دستیابی به توان الکتریکی مورد نیاز برای عملکرد حسگر با یک کویل اینداکتور ادغام شده اند و دارای ساختارهای بسیار ساده ای نیز هستند. برای مثال، با ادغام کویل سلف با حسگر خازنی یا حسگر موج صوتی آکواستیک سطح میتوان از دستگاه های غیرفعال برای عملکردهای مختلف مانند تشخیص فشار، دما و وجود یون ها استفاده کرد. حسگرهای منفعل ازطریق القای متقابل بین یک کویل خارجی و یک کویل حسگر تغذیه می شوند. این روش برای میکرو دستگاه های قابل کاشت مناسب است و بطور کلی، میتواند در غلبه بر محدودیت های منبع تغذیه باتری یکپارچه استفاده شود. دستگاه های متصل القایی منفعل بیشتر در سیستم های بی سیم (رادیویی) با عملکرد بهتر به دلیل داشتن مشخصه های عالی و عملکرد بهتر در باند فرکانسی وسیع استفاده می شوند. اخیرآ، توسعه دستگاه های کاشته شده دارای قدرت کم، کارآمدی بالا و سرعت بالای داده توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. چن و همکارانش یک حسگر فشار با پایه پلی آمید ساخته و عملکرد آن را ارزیابی کردند. این حسگر که با یک مدار سلف - خازن (LC) ادغام شده است، می تواند بصورت بی سیم تغذیه شود. تغییرات فشار با ارزیابی تغییرات میزان ظرفیت بررسی می شوند. از آنجا که حسگر برای کوچک نمایی و حساسیت به فشار بالا در نظر گرفته شده است، بایستی در یک باند فرکانسی گسترده در گیگاهرتز بکار گرفته شود. فرکانس رزونانس بالای آن از اندازه بسیار کوچک حسگر منتج شده است اما میتواند منجر به بروز مشکلات جدی مانند اختلال در سلول ها در حین فرایند ایمپلنت در بدن انسان شود.گونگ و همکارانش حسگر فشار دیگری را با حساسیت بالاتر با استفاده از نانو سیم های طلا ساختند. این حسگر با به حداقل رساندن جریان، مصرف برق را در حین اندازه گیری فشار کاهش داده و احتمال استفاده از مواد الکترود جدید را بیان می کند. با این حال، برق این حسگر ازطریق سیم های الکتریکی تأمین می شود که کاربرد آن در پوشش عناصر توانمند که بایستی در حرکت باشند، را محدود می کند. همچنین ژانگ و همکارانش علاوه بر پیشنهاد ساخت انواع دیگری از حسگرها با سطوح مختلف انعطاف پذیری و برق کمتر، به محدودیت های زیست سازگاری، تداخل سیگنال و منبع تغذیه بی سیم نیز اشاره کردند. هدف اصلی این مقاله، بررسی ساخت حسگر فشار بی سیم شامل یک مدار LC با یک استنت پلیمری زیست تخریب پذیر بعنوان یک ابزار جدید در علم پزشکی است. مدار سلف - خازن با پایه میکروساختار طراحی ساده دارد و می تواند در سایزهای کمتر از چند میلیمتر ساخته شود. بدنۀ حسگر فشار بی سیم از پلیمر SU-8 حساس به نور ساخته شده و یک مدار رزونانس ادغام شده با حسگر است. پلیمر SU-8 پس از تیمار به زیست سازگاری بالایی می رسد و نیازی به فرایندهای مازاد ندارد. علاوه براین، از آنجا که حسگر پلیمری در فرایندهای نیمه رسانای فعلی کاربرد دارد، می تواند بصورت انبوه تولید شود. حسگر فشار با دو عنصر غیرفعال طراحی شده است که می توانند بصورت بی سیم با برق تغذیه شوند و معمولآ در فرکانس های صد کلیکوهرتز تا چندین مگاهرتز استفاده می شوند. سطح حسگر فشار تقریبآ 3×3 میلی متر و ضخامت آن 105 میکرومتر با قابلیت کنترل فشارهای اطراف بصورت بی سیم است. استنت پلیمر ساخته شده از یک پلیمر زیست تخریب پذیر (پلی کاپرولاکتون) با کمک چاپگر سه بعدی، برخلاف استنت های فلزی، سیگنال های فرکانس رادیویی (RF) را در حین اندازه گیری تحت تأثیر قرار نمی دهد. علاوه براین، به فرایندهای پیچیده ای مانند پردازش لیزری در حین ساخت استنت نیاز نیست. با ادغام استنت و یک ابزار اندازه گیری متحرک در بدن بیمار، جذب مجدد داخل رگ های خونی انسان را به درستی کنترل کرده و همچنین نیاز به قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس نیز به حداقل می رسد.
بازدهی حسگر فشار جدا شده از ویفر 4 اینچی تقریبآ بالای 50 درصد بود. حسگر فشار بی سیم LC بسیار کوچک با ضخامت 170 میکرومتر با استنت پلیمری با کمک رزین اپوکسی تجزیه پذیر ادغام شد. سطح مقطع حسگر با میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد که باتوجه به بخش سوم از شکل زیر،به وضوح اجزای کویل MIM و کویل سلفرا نشان می دهد.
شکل 1:
وجود مس ازطریق اتصال الکتریکی با خازن بالاتر و پایین تر را میتوان تأیید کرد. فاصله عایق خازن MIM تقریبآ 30 میکرومتر است. در نهایت، دریچه تخلیه می تواند با استفاده از فتورزیست SU-8 مسدود شود. فرکانس رزونانس در حسگرهای فشار بین 170 -210 مگاهرتز ارزیابی شد. یک فرکانس متغیر به دلیل چگالی ناهموار جریان الکتریکی در حین فرایند الکتروپلتینگ مشاهده شد اما این مشکلات را میتوان بدون الکتروپلتینگ و یا حتی بهینه سازی این فرایندها برطرف کرد. همانطور که در بخش اول از شکل زیر ارائه شده است، از یک مجموعه آزمایشات دستی برای ارزیابی تغییر فرکانس رزونانس با فشار حاصل از حسگر استفاده شده است.
شکل 2:
تغییر فاز و فرکانس های رزونانس توسط آنالایزر امپدانس (Agilent 4395A) متصل شده به آنتن خارجی بررسی شدند. حسگرهای فشار بی سیم در یک محفظه فشار مخصوص قرار داده شده اند که فشار محفظه نیز براساس بخش دوم از شکل بالا، از 0 تا 230 میلیمتر جیوه در وقفه های 35 میلیمتر جیوه متغیر است. این مقدار به دلیل معیارهای کلی برای تعیین تصلب شرایین یا تنگی آنژین باتوجه به فشارهای دیفرانسیل خون35 میلیمتر جیوه، بین حداکثر فشار خون انتخاب شد. در این آزمایش باتوجه به بخش سوم از شکل بالا، فرکانس رزونانس در حسگر فشار در فشار جوّی تقریبآ 183 مگاهرتز بود. در صورت اعمال فشار اضافی از 0 تا 230 میلیمتر جیوه، فرکانس رزونانس با یک مرحلۀ تقریبآ 0.043 مگاهرتز/ میلیمتر جیوه از 183 مگاهرتز به 173 مگاهرتز کاهش می یابد.
در این مقاله یک حسگر فشار بی سیم با پایه پلیمر ساخته شده و مورد ارزیابی قرار گرفت. آزمایشات اولیه پس از ادغام حسگر فشار با استنت پلیمری ساخته شده با کمک چاپگر سه بعدی انجام شدند. همچنین از پلیمر SU-8 نیز در این حسگر استفاده شد. یک کویل سلف و یک خازن MIM در داخل حسگر برای اندازه گیری بی سیم فشار خارجی تعبیه شده است. هدف از انجام این آزمایشات تعیین تغییر فرکانس رزونانس بعنوان تابعی از تغییر فشار بود. در صورت تغییر فشار از 0 تا 230 میلیمتر جیوه، فرکانس رزونانس نیز از 183 مگاهرتز به 173 مگاهرتز کاهش یافت که بیانگر حساسیت حسگر ارزیابی شدۀ 0.043 مگاهرتز/ میلیمتر جیوه است. تغییر خازن را میتوان ناشی از تغییر فشار و به دنبال آن، تغییر خطی فرکانس رزونانس حسگر دانست که نشان دهندۀ کاربرد حسگرها بعنوان حسگرهای بی سیم در حوزه زیست پزشکی است. تداخل سیگنال بین حسگر و آنتن خارجی صورت گرفت و هنگام استفاده از استنت پلیمری زیست تخریب پذیر، هیچ تداخلی مشاهده نشد که این امر پیشرفت چشمگیری را نسبت به استفاده از استنت فلزی نشان می دهد. با این حال، انتظار می رود کنترل فشار خون داخل عروق با کمک استنت پلیمری امکان پذیر باشد.
