СИСТЕМА ДАТЧИКОВ
SENSORS SYSTEM

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №61/851603, поданной 11 марта 2013 г., и предварительной заявке на патент США №61/927683, поданной 15 января 2014 г., каждая из которых полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к системам датчиков для обнаружения анализируемых компонентов и к применениям таких систем датчиков.
[0003] Продолжает существовать необходимость в улучшении систем датчиков для медицинского и промышленного назначений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном варианте осуществления изобретения предложен корпус датчика для катетера. Корпус датчика содержит подложку, имеющую по меньшей мере один датчик, связанный с этой подложкой, электронный блок, имеющий связь с указанным по меньшей мере одним датчиком, причем подложка выполнена с возможностью прикрепления к катетеру.
[0005] В другом варианте осуществления изобретения предложена система датчиков. Система датчиков содержит подложку, имеющую по меньшей мере один гидрогелевый датчик, связанный с этой подложкой, магнитометр, примыкающий к указанному по меньшей мере одному гидрогелевому датчику, и множество магнитных частиц, связанных с указанным по меньшей мере одним гидрогелевым датчиком.
[0006] Другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны при рассмотрении раздела «Осуществление изобретения» и прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] На фиг. 1 показан общий вид системы датчиков на гидрогеле с магнитными частицами.
[0008] На фиг. 2 показана схема этапов, ведущих от изменения концентрации анализируемого компонента к изменению магнитного поля системы датчиков на гидрогеле с магнитными частицами.
[0009] На фиг. 3 показана система датчиков, связанная с катетером, с использованием корпуса, который обертывает катетер.
[0010] На фиг. 4 показана электронная система в разобранном виде для использования с системой датчиков, связанной с катетером, как показано на фиг. 3.
[0011] На фиг. 5 показан дальний конец катетера (слева) и дальний конец корпуса (справа), к которому может быть прикреплен один или более датчиков и который выполнен с возможностью обертывания катетера.
[0012] На фиг. 6 показан дальний конец корпуса катетера, с уплощенной конфигурацией, показывая несколько датчиков вместе с электрическими соединениями.
[0013] На фиг. 7 показан вариант осуществления системы датчиков, которая смонтирована на конце зонда, например, для использования в биореакторе.
[0014] На фиг. 8 показан вариант системы датчиков, которая может быть смонтирована под кожей пациента, с магнитометром для измерений, расположенным либо под (сверху), либо над (снизу) кожей пациента.
[0015] На фиг. 9 показан другой вариант системы датчиков для использования с примыканием к коже пациента.
[0016] На фиг. 10 показан ряд тестовых образцов гидрогеля, имеющих концентрации 0,25% (слева), 0,50% (в центре), или 1,0% (справа) (в процентах по массе) магнитных частиц.
[0017] На фиг. 11 показано экспериментальное устройство для исходного тестирования напряженности магнитного поля образцов, таких как показаны на фиг. 10.
[0018] На фиг. 12 показан график напряженности магнитного поля в зависимости от расстояния с использованием устройства, показанного на фиг. 11, и образцов, показанных на фиг. 10.
[0019] На фиг. 13 показаны изменения напряженности магнитного поля в зависимости от расстояния.
[0020] На фиг. 14 показаны изменения концентрации глюкозы, измеренной с использованием чувствительного к глюкозе гидрогеля с магнитными частицами.
[0021] На фиг. 15 показаны изменения ионной силы, измеренной с использованием чувствительного к ионной силе гидрогеля с магнитными частицами.
[0022] На фиг. 16 показана ориентация магнитных частиц в гидрогеле в магнитной сборке Хальбаха.
[0023] На фиг. 17 показана ориентация магнитных частиц в гидрогеле в однородной структурной решетке.
[0024] На фиг. 18 показан содержащий частицы слой в верхней части гидрогеля, на котором содержащий частицы слой перфорирован, чтобы позволить доступ анализируемого компонента в гидрогель.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Перед подробным объяснением каких-либо вариантов осуществления настоящего изобретения следует понять, что изобретение не ограничено своим применением к деталям конструкции и расположению компонентов, изложенным в следующем описании или показанным на следующих чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления, и может быть осуществлено или выполнено различными способами.
[0026] В различных вариантах осуществления настоящее изобретение включает в себя системы датчиков для различных применений, включая медицинское и промышленное применение. В некоторых вариантах осуществления система датчиков включает в себя по меньшей мере один гидрогелевый датчик, и в конкретных вариантах осуществления по меньшей мере один гидрогелевый датчик представляет собой интеллектуальный гидрогелевый датчик, как подробно описано ниже. В некоторых вариантах осуществления система датчиков связана с подложкой, где подложка может быть частью специализированной системы датчиков, например, корпуса, для прикрепления к катетеру или зонду для использования в биореакторе.
[0027] Гидрогелевые датчики
[0028] Гидрогелевые датчики используют изменение в поддающихся измерению свойствах гидрогелей при взаимодействии с конкретным анализируемым компонентом (фиг. 1-2). В основном, анализируемый компонент может взаимодействовать с самим гидрогелем или связующей долей в гидрогеле, чтобы вызывать изменения в поддающихся измерению свойствах гидрогеля, и информация относительно анализируемого компонента может быть извлечена путем измерения изменений в поддающихся измерению свойствах. Соответственно, системы датчиков на основе гидрогеля могут содержать подходящие механизмы для обнаружения изменений в поддающихся измерению свойствах.
[0029] Подходящие гидрогели для использования в настоящем изобретении включают в себя какой-либо гидрогель, реагирующий на наличие анализируемого компонента с некоторым изменением по меньшей мере одного свойства гидрогеля. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может реагировать на наличие анализируемого компонента путем изменения физических свойств, электрических свойств, оптических свойств, механических свойств, химических свойств или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может реагировать на наличие анализируемого компонента путем изменения размера/объема, плотности, пористости, показателя преломления, упругости, вязкости, коэффициентов или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может реагировать на присутствие анализируемого компонента путем расширения или сокращения относительно исходного объема.
[0030] В некоторых вариантах осуществления гидрогель может реагировать на наличие анализируемого компонента путем расширения, чтобы занимать по меньшей мере около 1,001 от исходного объема, по меньшей мере около 1,01, по меньшей мере около 1,1, по меньшей мере около 1,2, по меньшей мере около 1,3, по меньшей мере около 1,4, по меньшей мере около 1,5, по меньшей мере около 1,6, по меньшей мере около 1,7, по меньшей мере около 1,8, по меньшей мере около 1,9, по меньшей мере около 2,0, по меньшей мере около 2,5, по меньшей мере около 3,0, по меньшей мере около 3,5, по меньшей мере около 4,0, по меньшей мере около 4,5, по меньшей мере около 5,0, по меньшей мере около 6,0, по меньшей мере около 7,0, по меньшей мере около 8,0, по меньшей мере около 9,0, по меньшей мере около 10,0, по меньшей мере около 11,0, по меньшей мере около 12,0, по меньшей мере около 13,0, по меньшей мере около 14,0, по меньшей мере около 15,0, по меньшей мере около 20,0 или по меньшей мере около 25,0 от исходного объема. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может реагировать на наличие анализируемого компонента путем расширения, чтобы занимать не более чем около 100 от исходного объема, не более чем около 90, не более чем около 80, не более чем около 75, не более чем около 70, не более чем около 65, не более чем около 60, не более чем около 55, не более чем около 50,0, не более чем около 45,0, не более чем около 40,0, не более чем около 35,0, не более чем около 30,0, не более чем около 29,0, не более чем около 28,0, не более чем около 27,0, не более чем около 26,0, не более чем около 25,0, не более чем около 24,0, не более чем около 23,0, не более чем около 22,0, не более чем около 21,0, не более чем около 20,0, не более чем около 19,0, не более чем около 18,0, не более чем около 17,0, не более чем около 16,0, не более чем около 15,0, не более чем около 14,0, не более чем около 13,0, не более чем около 12,0, не более чем около 11,0, не более чем около 10,0, не более чем около 9,0, не более чем около 8,0, не более чем около 7,0, не более чем около 6,0 или не более чем около 5,0 от исходного объема. Сюда входят варианты осуществления, в которых гидрогель реагирует на наличие анализируемого компонента путем расширения, чтобы занимать объемы, находящиеся в диапазоне примерно от 1,001 до 100 исходного объема, включая, помимо прочего, объемы, находящиеся в диапазоне примерно от 1,01 до 50 исходного объема, или объемы, находящиеся в диапазоне примерно от 1,1 до 25,0 исходного объема.
[0031] В некоторых вариантах осуществления гидрогель может содержать гидрогель с элементами искусственного интеллекта. Используемый здесь термин «искусственный интеллект» относится к способности гидрогеля выборочно образовывать связь с одним или больше видов конкретных анализируемых компонентов при выборочном исключении одного или больше других видов.
[0032] В некоторых вариантах осуществления гидрогель может содержать материал, выбранный из группы, состоящей из синтетических материалов, биологических материалов, биогибридных материалов и их сочетаний. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может содержать материал, выбранный из группы, состоящей из полиакриловой кислоты) и ее производных, поли(2-глюкосилоксиэтил метакрилата) (пол и (GEMА)) и его производных, поли(гидроксиэтил метакрилата) (РНЕМА) и его производных, поли(этиленгликоля) (PEG) и его производных, поливинилового спирта) (PVA) и его производных, полиакриламида (РААm) и его производных, поли(метакриловой) кислоты и ее производных, поли(диэтиламиноэтил метакрилата) и его производных, поли(диметиламиноэтил метакрилата) и его производных, поли(N-изопропилакриламида) (PNIPAAm) и его производных, мультислоев полиэлектролита (РЕМ), поли(2-охсазолинов) и его производных и их сочетаний. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может содержать материал, выбранный из группы, состоящей из белков, полисахаридов, ДНК и их сочетаний. В некоторых вариантах осуществления гидрогель может содержать материал, выбранный из группы, состоящей из коллагена, гилауроновой кислоты (НА), фибрина, альгината, агарозы, хитозана и их сочетаний.
[0033] В некоторых вариантах осуществления гидрогель может содержать один или больше специфических центров связывания. Специфические центры связывания могут обладать возможностью реагировать на придание гидрогелю характера «искусственного интеллекта». В некоторых вариантах осуществления специфические центры связывания могут содержать обратимые или необратимые центры связывания.
[0034] Примеры подходящих гидрогелей для использования с настоящим изобретением включают, помимо прочего, те, которые раскрыты в патентах США №№5415864, 5447727, 6268161, 6333109, 6475750, 6514689, 6753191, 6835553, 6848384, 7150975, 7179487, 7556934, 7625951, 7988685, 8221773, 8283384 и 8324184, и заявках на патент США, публикации №№2005/0169882, 2006/0239986, 2008/0206894, 2008/0044472, 2008/0275171, 2008/0311670, 2009/0170209, 2009/0215923, 2010/0285094, 2011/0044932, 2011/0280914, 2012/0170050, 2012/0029430, 2012/0234465, 2013/0129797, 2013/0143821 и 2013/0172985, и 2013/0267455, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме.
[0035] Корпуса катетеров
[0036] В некоторых вариантах осуществления система датчиков содержит один или больше датчиков, соединенных с подложкой, которая связана с катетером (фиг. 3-6). В одном таком варианте осуществления гидрогели могут быть расположены на подложке, которая является частью корпуса, связанной с наружной поверхностью катетера.
[0037] Как указано выше, гидрогели могут быть гидрогелями «с искусственным интеллектом», которые по химическому составу предназначены для обратимого и выборочного связывания с анализируемыми компонентами, растворенными в сыворотке крови, такими как фибриноген и различные факторы свертывания крови, включая, помимо прочего, тромбин. Связывание анализируемого компонента с соответствующим гидрогелем может быть обнаружено множеством способов, главным образом, включающих в себя обнаружение изменений в размере или давлении, возникающих из-за связывания анализируемого компонента с гидрогелем, в том числе, пьезорезистивные преобразователи давления, магнитометры (описываемые ниже) или другие средства преобразования изменений размера или формы в электрический сигнал. Другие изменения гидрогеля, которые могут возникать, включают в себя изменения полного сопротивления или флуоресценции. При непрерывном контроле данных электрических сигналов концентрация в сыворотке анализируемых компонентов, таких как фибриноген или различные факторы свертывания, такие как тромбин, могут быть точно и быстро определены как функция времени.
[0038] Один конкретный вариант использования системы датчиков, связанной с катетером, основан на тестировании свертывания крови, используемом для контроля противокоагулирующего влияния гепарина или других антикоагулянтов, вводимых пациенту, в процессе операции на сердце или во время пребывания в условиях лечения критических состояний. После сердечнососудистого патологического состояния, такого как инфаркт миокарда, или в процессе операции на сердце общепринятой практикой является ведение пациенту антикоагулянта, такого как гепарин, чтобы уменьшить риск образования тромбов. Для данного пациента скорость введения антикоагулянтов должна непрерывно регулироваться, используя результаты коагуляционных проб, выполняемых на крови, таких как активированное время свертывания (Activated Clotting Time, ACT). В тесте на ACT всю кровь, периодически отбираемую у пациента, помещают в пробирку вне тела, и время свертывания измеряют после добавления в кровь активатора свертывания, такого как диатомовая земля (кизельгур). Современный метод теста на ACT обладает недостатками из-за ограничений, таких как большое время реакции, промежуточные измерения и необходимость забора пробы крови для анализа вне тела пациента.
[0039] Другим тестом на коагуляцию крови, являющимся более определяющим, чем тест на ACT, является тест на образование эндогенного тромбина. Тромбин представляет собой основной фермент, обнаруживаемый при свертывании крови, и тест на образование эндогенного тромбина измеряет кинетику конверсии синтетической тромбиновой подложки. Современный метод теста на образование эндогенного тромбина также обладает недостатками из-за ограничений, таких как большое время реакции, промежуточные измерения и необходимость забора пробы крови для анализа вне тела пациента. Предлагались способы непрерывного измерения концентрации тромбина в крови с использованием элементов распознавания тромбина, таких как фибриноген, аптамеры для тромбина и молекулярно-импринтированные аптамеры для тромбина. Однако на предшествующем уровне не разработан способ одновременного и непрерывного измерения в организме концентрации множества факторов свертывания. Были также предложены способы измерения концентрации растворимого фибриногена в водных растворах. Однако на предшествующем уровне не разработан способ непрерывного измерения в организме в режиме реального времени концентрации фибриногена с использованием гидрогелей, реагирующих на воздействие, в качестве замены теста на ACT.
[0040] Настоящий вариант осуществления системы датчиков предлагает матрицу датчиков, связанную с постоянным катетером для непрерывного измерения концентрации фибриногена, тромбина и.или других различных факторов свертывание в крови. Матрица датчиков может содержать несколько различных типов гидрогелей, реагирующих на воздействие (т.е. «с искусственным интеллектом»), для выборочного и обратимого связывания анализируемых компонентов, представляющих интерес. В различных вариантах осуществления гидрогели с искусственным интеллектом, реагирующие на воздействие, представляют собой сетку сшитого полимера, который обратимо изменяет свои свойства в ответ на изменение в данном сигнале окружающей среды, в том числе, изменение концентрации анализируемого компонента, такого как тромбин.
[0041] Одним из способов, которым может быть получен гидрогель, реагирующий на воздействие, который реагирует на данный анализируемый компонент, является использование процесса молекулярного импринтинга. При молекулярном импринтинге полимеризацию «функционального» мономера получают в присутствии порообразующего растворителя и целевого анализируемого компонента, при этом последний называют «шаблон». После образования поперечных связей (сшивания) или полимеризации шаблон извлекается, оставляя после себя полости, которые содержат стереохимическое расположение функциональных групп, соответствующее структуре шаблона. Следовательно, полости будут повторно связывать анализируемый компонент с высокой селективностью и чувствительностью. Для получения лучших результатов необходимо выбирать функциональный мономер, который образует прочные, но обратимые химические связи с молекулами шаблона. Обратимость связывания анализируемого компонента может быть получена путем изменения идентичности и мольного отношения функциональных мономеров, используемых для синтеза импринтированного гидрогеля. Например, могут быть получены импринтированные гидрогели, которые обратимо связывают белки, такие как лизоцим, фибриноген и опухолеспецифические гликопротеины. Для обратимого связывания тромбина подходящие функциональные мономеры могут включать в себя метакриловую кислоту и 3- акриламидофенил бориновую кислоту. Последний содержит долю бориновой кислоты, которая может обратимо связываться с гликозилированными участками тромбина.
[0042] Связывание корректных анализируемых компонентов с соответствующим гидрогелем будет вызывать изменения в свойствах гидрогеля, такие как степень расширения, полное сопротивление, флуоресценция и/или магнитное поле, каждое из которых может быть преобразовано в электрический сигнал. Данные электрические сигналы затем можно использовать для быстрого и постоянного контроля концентрации в крови анализируемых компонентов, представляющих интерес. В некоторых вариантах осуществления, чтобы определить время ACT, кровь будет протекать в катетер или рядом с ним мимо гидрогеля, реагирующего на фибриноген, после протекания через пористый слой активатора свертывания, такого как диатомовая земля. Активатор свертывания будет инициировать свертывание и последующее включение растворимого фибриногена в тромбы на основе фибрина. Следовательно, образование тромба в зависимости от времени и ACT могут быть определены из измеренного понижения концентрации фибриногена. Как вариант, увеличение концентрации тромбина может быть измерено по сигналу, полученному от гидрогеля, реагирующего на тромбин, и коррелированного по эндогенному потенциалу тромбина. Поскольку связывание анализируемого компонента с гидрогелями будет быстрым и обратимым, можно будет измерять значение ACT и эндогенный потенциал тромбина в организме, что выгодно отличается по сравнению с известными системами.
[0043] Корпус катетера
[0044] В одном варианте осуществления связанная с катетером система датчиков может содержать корпус с одним или больше датчиками, скрепленными с ним, при этом корпус может быть прикреплен к катетеру, например путем крепления к стороне или путем обертывания катетера (фиг. 3-6). В некоторых вариантах осуществления корпус изготовлен с использованием гибких схем (например, изготовленных из таких материалов, как парилен, силиконы, полиуретаны или полиимиды), так что корпус может обертывать другую конструкцию, например катетер. Корпус, предназначенный для установки катетера, может быть удлинен таким образом, что он может быть обернут вокруг оси катетера.
[0045] Корпус может быть обернут вокруг катетера по всей его длине или только на дальнем конце (фиг. 3 и 5). Для облегчения обертывания вокруг катетера, корпус может быть выполнен в виде витка (например, в ходе процесса технологической обработки, например с использованием нагрева, см. фиг. 3 и 5) или корпус может быть прокатан и соединен вдоль края, чтобы удерживать прокатный профиль, и/или корпус может быть прикреплен к катетеру, например с использованием адгезива, с тем, чтобы помочь в сохранении скрученной формы.
[0046] Корпус может иметь один или больше связанных с ним датчиков, например, расположенных на дальнем конце или расположенных вдоль его длины (фиг. 3, 5, 6). В некоторых вариантах осуществления датчики могут включать в себя гидрогелевые датчики, и в одном конкретном варианте осуществления датчики могут быть датчиками на магнитном гидрогеле.
[0047] В варианте, показанном на фиг. 3-6, корпус включает в себя узкий корпус с широкой частью на дальнем конце. Один или большее количество датчиков прикреплено к корпусу в широкой части, которая обертывает дальний конец катетера (фиг. 3, 5 и 6). Множество электрических соединений проложено от каждого датчика вдоль узкого корпуса к ближнему концу корпуса, при этом электрические соединения подключены к электронному блоку, который собирает данные от датчиков.
[0048] Электронный блок может также содержать источник энергии (например, одну или больше аккумуляторных батарей) и телеметрическую систему, включающую антенну для беспроводной связи (например, для приема команд и передачи данных) (фиг. 4). Беспроводная связь может выполняться с использованием какого-либо количества подходящих протоколов, таких как Bluetooth или ZigBee. Электронный блок может иметь связь с другими компьютерами или смартфонами, которые расположены на месте или удаленно от корпуса, с использованием беспроводной связи или проводной связи. Передача данных может быть инициирована несколькими способами, в том числе, путем включения сенсорного выключателя на электронном блоке. Электронный блок может быть смонтирован в корпусе в виде небольшого узла, который может быть смонтирован на конце катетера, например, дальнем от местоположения датчиков. В некоторых вариантах осуществления узкий корпус может проходить через соединение катетера и подключаться к электронному блоку внутри соединения (фиг. 4).
[0049] В некоторых вариантах осуществления корпус может быть выполнен из одного или больше гибких и/или биосовместимых материалов (например, парилен, силиконы, полиуретан (PU), полиимид (PI)) и имеет встроенные в него электрические соединения, и взаимно связывает матрицу датчиков с округлым процессорным модулем. Процессорный модуль может иметь такие размеры, чтобы точно подходить к верхней части конструкции катетера, проходя в длину менее чем на 5 мм.
[0050] С корпусом могут использоваться различные типы датчиков, хотя в одном конкретном варианте осуществления датчики содержат гидрогели с искусственным интеллектом, с магнитными частицами, связанными с ними, при этом для обнаружения изменений в гидрогеле вследствие взаимодействия с анализируемым компонентом используется магнитометр (см. ниже). В различных вариантах осуществления датчики, которые могут использоваться с корпусом, включают амперометрические (тока), потенциометрические (напряжения), оптические (например, флуоресценции), механические (например, давления, объема), магнитные и индуктивные (смещения радиочастот) датчики. В дополнение к гидрогелям сенсорные устройства могут включать в себя различные ферментные и не ферментные механизмы, в том числе те, которые используют антитела, и другие датчики на основе белка.
[0051] Указанная система датчиков с корпусом катетера обеспечивает интрапроцедуральный постоянный контроль в режиме реального времени изменений в состоянии электролитов, свертывания крови, и маркеров повреждения (ферменты и др.), и позволит экономить значительное количество взятий крови, дополнительных тестирований, и будет гарантировать высокий уровень безопасности при обнаружении изменений в критических показателях крови, когда они возникают, в режиме реального времени.
[0052] Биореактор
[0053] Будучи используемой в качестве части биореактора, матрица, имеющая один или больше датчиков, расположена на конце зонда, вводимого в биореактор (фиг. 7). В некоторых вариантах осуществления зонд может иметь две или больше отдельных частей, включающих одноразовую муфту, содержащую один или больше датчиков (например, гидрогелевых датчиков), и вставку магнитного детектора, которая вводится в муфту. В данной конфигурации муфта взаимодействует с содержимым биореактора, тогда как вставка магнитного детектора защищена от содержимого и, следовательно, может быть использована повторно. В данной конфигурации особенно предпочтительно использовать датчики на магнитном гидрогеле, такие как раскрыты здесь, поскольку магнитные детекторы могут контролировать изменения в магнитных частицах, связанных с гидрогелевыми датчиками, без выполнения прямого контакта. Когда вставка магнитного детектора введена в муфту, датчик на муфте совмещен с матрицей магнитных детекторов на вставке, позволяя магнитным датчиком «опрашивать» магнитные гидрогели. Муфта в различных вариантах осуществления может включать в себя пористую концевую часть (например, полусферический сетчатый колпачок, как показано), которая обеспечивает прохождение анализируемых компонентов, так что анализируемые компоненты могут взаимодействовать с датчиками, в тоже время, защищая датчики. Электронные устройства для управления датчиками могут быть включены во вводимую часть зонда, примыкающую к магнитным детекторам, или могут находиться в удаленном местоположении.
[0054] Датчики на гидрогеле с магнитными частицами
[0055] В некоторых вариантах осуществления система датчиков содержит датчики на магнитном гидрогеле. Датчики на магнитном гидрогеле используют гидрогели, в том числе, гидрогели с искусственным интеллектом, как указано выше, в которых гидрогель изменяет форму вследствие взаимодействия с анализируемым компонентом, и определение изменения в поддающемся измерению свойстве обнаруживается, используя магнитные частицы, в том числе, наночастицы, связанные с гидрогелем.
[0056] Следовательно, объемная реакция гидрогелей, реагирующих на воздействие, может контролироваться путем измерения изменения в напряженности магнитного поля (MF1) с помощью встроенных магнитных наночастиц. Результаты показывают, что можно создать состав гидрогеля и магнитных частиц и измерять изменения в MFI при изменениях плотности магнитных частиц и расстояния от магнитометра.
[0057] В раскрываемом способе предложено уникальное сочетание магнитных датчиков с гидрогелями, реагирующими на анализируемый компонент. Вначале наночастицы были внедрены в гидрогели, как часть применения контролируемой доставки лекарств, хотя описанные здесь способы являются универсальными, и могут использоваться в широком диапазоне применения. Как указано выше, особый химический состав синтезированных гидрогелей служит причиной их реакции на уникальное воздействие (например, взаимодействие с анализируемым компонентом) благодаря расширению или сжатию вплоть до 300% от их исходного объема, пропорционально концентрации или интенсивности воздействия.
[0058] В некоторых вариантах осуществления магнитные частицы или наночастицы могут быть расположены с особой ориентацией в гидрогеле или примыкая к нему. Например, в одном варианте осуществления система датчиков содержит гидрогель с искусственным интеллектом, имеющий встроенные в него магнитные наночастицы, при этом магнитные поля наночастиц выровнены по вертикали. Вертикально выровненные магнитные наночастицы, встроенные в гидрогель с искусственным интеллектом, будут преобразовывать активацию гидрогеля, как изменение в напряженности магнитного поля в гидрогеле и вокруг него, которое обнаруживается магнитометром, примыкающим к гидрогелю фиг. 1, 2). Данный подход обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с другими способами постоянного контроля гидрогелей, такими как постоянный контроль изменений давления, вызванных расширением гидрогеля, способами химического распознавания (например, электрохимические способы) и способами оптического распознавания. Гидрогели могут быть приспособлены с помощью ряда способов для реагирования на концентрации почти любого анализируемого компонента, что чрезвычайно расширяет потенциальные возможности предлагаемого способа.
[0059] Одним из преимуществ раскрываемой системы датчиков на гидрогеле с магнитными наночастицами является ее возможность реагировать на множество анализируемых компонентов, используя различные гидрогели в пределах одной платформы датчиков, ее приспосабливаемость к широкому разнообразию применений для распознавания, таких как распознавание состава биореактора, консервативное лечение в месте оказания медицинской помощи, или в качестве полностью имплантируемых, постоянных (непрерывных) датчиков физиологических биомаркеров для постоянного контроля состояния болезни или лечения. Например, составы пассивного «магнитного гидрогеля» могут быть имплантированы в подкожную область пациента, а активные компоненты могут быть расположены на поверхности кожи для долговременного непрерывного контроля биомаркеров (фиг. 8). В одном варианте осуществления матрица датчиков может быть имплантирована под кожу пациента с проводным соединением с электронным блоком за пределами поверхности кожи пациента (фиг. 8, сверху). В другом варианте осуществления матрица датчиков на гидрогеле с магнитными частицами имплантирована под кожу пациента, а магнитометр и электронный блок расположены над гидрогелевыми датчиками для обнаружения изменений в магнитных полях, создаваемых за счет изменений, связанных с анализируемым компонентом, в гидрогелях (фиг. 8, внизу). В одном конкретном варианте осуществления пара датчиков на гидрогеле с магнитными частицами может быть имплантирована друг возле друга, при этом один из них чувствителен к анализируемому компоненту (например, глюкозе), а другой не чувствителен к анализируемому компоненту (фиг. 9). Затем собирают показания магнитометра от обоих датчиков, и определяют разностный сигнал на основании пар показаний, исключая изменения в сигнале вследствие иных факторов, чем изменения в уровне анализируемого компонента, такие как уровень гидратации и температура тела пациента, среди других факторов. Датчики могут быть расположены в коже пациента в одном или многих местах по телу пациента, в том числе на руках, ногах, торсе или голове (включая, например, мочку уха).
[0060] Предварительные эксперименты подтверждают многие преимущества раскрываемого способа. В данных экспериментах был разработан процесс для расположения магнитных наночастиц в пределах слоя толщиной 2 мм из полидиметилсилоксана (polydimethylsiloxane, PDMS) и ориентации частиц в сильном внешнем магнитном поле до полного отверждения PDMS (в основном, используя способы нагрева). Были созданы три образца составов PDMS для трех различных концентраций (0,25%, 0,5%, 1% в процентах по массе) магнитных частиц (N=3×3) и измерялись изменения в напряженности магнитного поля с расстоянием, используя промышленный магнитометр для всех образцов (фиг. 10, 11). Данные начальные эксперименты выполнялись с использованием промышленно выпускаемого простого трехосного магнитометра (HMC5883L от Honeywell), хотя можно было использовать любые другие типы магнитных сенсорных систем. Как видно из результатов, датчик является перегруженным или насыщенным при наличии 0,5% и 1% составов на ближних расстояниях (фиг. 12). Однако, следует заметить, что (1) в измерениях отсутствует гистерезис (основная проблема в существующих методах), (2) существует заметная (легко отобразимая) разность в напряженности поля между всеми испытанными концентрациями на любом конкретном расстоянии. Данные начальные результаты убедительно подтверждают указанные преимущества.
[0061] Другие эксперименты показали высокую чувствительность измерений магнитного поля как функция расстояния от магнитометра (фиг. 13), а также чувствительность системы, использующей гидрогель с магнитными частицами, чувствительными к глюкозе (фиг. 14) или гидрогель с магнитными частицами, чувствительными к осмотической прочности (фиг. 15). На фиг. 13 показана чувствительность серийного магнитометра. Измеренные изменения в магнитном поле происходят вследствие перемещения магнитной ленты с шагом 5 микронов на 2 мм выше магнитометра. Магнитная лента перемещалась, используя автоматический (управляемый компьютером) линейный исполнительный механизм 20 раз, от 0-200 микронов, и данные показывают замечательную повторяемость. Данный эксперимент проводился для демонстрации возможности магнитного измерения малых физических перемещений сравнительно далеко (три порядка по величине) от недорогого магнитометра. На фиг. 14 демонстрируется возможность измерения изменений в концентрации глюкозы, используя магнитный гидрогель. В данном случае синтезировали гидрогель, чувствительный к глюкозе, и предварительно изготовленная магнитная пленка располагалась над гидрогелем, чтобы формировать магнитный гидрогель. Гидрогель был прикреплен к внутренней стенке стеклянной мензурки, а магнитометр выравнивали по отношению к гидрогелю снаружи мензурки. При постоянном рН, равном 7,3 и в постоянном 1х фосфатном буферном растворе концентрацию глюкозы изменяли от 0 ммоль до 5 ммоль, и полученные изменения магнитного поля измерялись, используя магнитометр. Раствор в мензурке слегка перемешивался в ходе эксперимента. Артефакт данных, видимый после первого цикла на фиг. 14, вызывается во время действия измененных растворов в мензурке. Устройство, используемое в эксперименте, результат которого показан на фиг. 15, аналогично описанному выше для фиг. 14. Здесь использованный гидрогель был чувствительным к ионной силе. Ионная сила изменялась, используя автоматическую систему управления потоком, от 1х до 2х фосфатно-солевого буферного раствора (PBS) в мензурке, и изменения в магнитном поле измерялись, используя магнитометр. Дрейф данных возникает из-за состояния гидрогеля.
[0062] Количество и разнообразие применений раскрываемой системы датчиков на гидрогеле с магнитными наночастицами увеличивается в результате продолжающихся исследований и разработки свойств и особенностей гидрогеля, которые помогут в применении настоящего изобретения с области медицинских устройств/диагностики, среди прочего.
[0063] В различных вариантах осуществления раскрываемые датчики могут быть приспособлены для использования в различных областях. В области неврологии и психиатрии датчики могут быть приспособлены для диагностики и постоянного контроля симптомов, связанных с зависимостью, депрессией, болезнью Паркинсона, инсультом и кровяным давлением. В оральной/желудочно-кишечной области датчики могут быть приспособлены для обнаружения курения, постоянного контроля приема различных лекарственных препаратов и других лекарств, и постоянного контроля изменения в уровнях кислотности в пищеводе и желудке. В области пульмонологии датчики могут быть приспособлены для постоянного контроля ингаляторов, а также диагностики, постоянного контроля и управления симптомами, связанными с состоянием легких, такими как астма и хроническая обструкция легких, (chronic obstructive pulmonary disease, COPD).
[0064] В кардиальной области датчики могут быть приспособлены для использования, связанного с интервенционными процедурами, такими как постоянный контроль рН, электролитов, глюкозы, тропонина, С-реактивного белка, тропонина, компонентов холестерина, и для управления и постоянного контроля использования антикоагулянтов, например, контроля факторов Ха и тромбина. Кроме того, в кардиальной области датчики могут быть приспособлены для использования с устройствами, такими как провода ICD (например, для обнаружения сердечной недостаточности и сердечных приступов), провода РМ (например, для постоянного контроля сердечной недостаточности и сердечных приступов), и для постоянного контроля образования тромбов, включая тромбинообразование (комплекс тромбин-антитромбин (thrombin-antithrombin [TAT])), эндотелиальная дисфункция (асимметричный диметиларгинин (asymmetric dimethylargininc [ADMA])), и тромбоцитарное воспаление (растворимый лиганд CD40 (soluble CD40 ligand [SCD40L])).
[0065] В области гепатологии датчики могут быть приспособлены для постоянного контроля и/или диагностики ферментов печени, гепатита С, ожирения печени и печени для пересадки, кроме того, панкреатическая активность может быть оценена с помощью постоянного контроля уровней глюкозы в крови, чтобы оценивать уровень риска диабета отдельного человека или популяции. В почечной области датчики могут быть приспособлены для измерения уровней креатинина, постоянного контроля почек для пересадки, и постоянного контроля физиологии диализных пациентов. В области гематологии датчики могут быть приспособлены для постоянного контроля уровней железа и гемоглобина, а также для диагностики и постоянного контроля лечения онкозаболеваний крови (например, обнаружение конкретных маркеров). В области урологии датчики могут быть приспособлены для постоянного контроля простаты, включая уровни простат-специфических антигенов (prostate specific antigen, PSA). Наконец, датчики могут быть приспособлены для использования перед хирургическим вмешательством, во время и после него для постоянного контроля у пациента уровней рН, электролитов, факторов антикоагуляции крови, гемоглобина и уровней лактата.
[0066] Среди преимуществ раскрываемой системы датчиков на гидрогеле с магнитными наночастицами:
[0067] (1) Отсутствие побочных продуктов: В отличие от электрохимического распознавания, раскрываемые способы не производят побочных продуктов от механизма распознавания,
[0068] (2) Длительный срок службы: В отличие от распространенных методов распознавания, которые потребляют сырые материалы во время распознавания, раскрываемый способ распознавания на основе гидрогеля не зависит от химических реакций,
[0069] (3) Реагирование на множество анализируемых компонентов: Особым преимуществом предлагаемого подхода является его возможность реагировать на множество анализируемых компонентов, используя различные гидрогели в пределах одной платформы датчиков, и его приспосабливаемость к широкому разнообразию применений для распознавания, таких как распознавание состава биореактора, консервативное лечение в месте оказания медицинской помощи, или в качестве полностью имплантируемых, постоянных датчиков физиологических биомаркеров для постоянного контроля состояния болезни или лечения, и
[0070] (4) Минимальная подверженность воздействию экзогенных материалов: При применении в медицинских устройствах ожидается, что раскрываемые датчики имеют меньше проблем, вызванных телом пациента, реагирующим на инородные объекты, связанные с датчиком, так как имплантированные части могут быть уменьшены всего до пассивной части гидрогеля, тогда как остальные компоненты обнаружения (например, магнитометр и связанные электронные устройства) могут быть расположены на поверхности тела/кожи пациента.
[0071] Среди многих возможных применений раскрываемой системы датчиков на гидрогеле с магнитными наночастицами:
[0072] (1) Распознавание состава биореактора, особенно для реакторов одноразового использования,
[0073] (2) Консервативное лечение в месте оказания медицинской помощи,
[0074] (3) Полностью имплантируемые, постоянные датчики физиологических
биомаркеров для постоянного контроля состояния болезни или лечения и
[0075] (4) Непрерывное распознавание обмена веществ в исследованиях на животных.
[0076] Одним из возможных ограничений раскрываемой системы датчиков на гидрогеле с магнитными наночастицами являются вероятные помехи при использовании в средах с сильными магнитными полями, например, с системах магниторезонансной визуализации (Magnetic Resonance Imaging, MRI) или вблизи них. Диапазон чувствительности MFI предлагаемого датчика в некоторых вариантах осуществления может находиться в диапазоне примерно от 300 мкТл до 4000 мкТл. Тогда как данный диапазон намного больше, чем диапазон магнитного поля земли (25-65 мкТл), он ниже, чем видно на магниторезонансной визуализации (MRI). Показания датчиков могут испытывать влияние сильных магнитных полей, хотя один из способов преодолеть данное ограничение может заключаться в том, чтобы иметь вспомогательный эталонный магнитометр на расстоянии от датчика, например, в переносном устройстве постоянного контроля, так что могут быть сняты дифференциальные магнитные показания.
[0077] На фиг. 16 и 17 показано выравнивание магнитных частиц в гидрогеле или рядом с ним. Каждая из фиг. 16 и 17 показывает гидрогель на базе подложки со слоем, содержащим магнитные частицы в верхней части гидрогеля. Гидрогель может быть постоянно прикреплен к подложке во время использования, или подложка может только присутствовать во время формирования гидрогеля и удаляться из гидрогеля перед использованием. В некоторых вариантах осуществления большая часть гидрогеля (с отдельным верхним слоем или без него) может быть изготовлена, а затем разделена на меньшие секции для использования. При использовании магнитометр расположен вблизи гидрогеля, например, под подложкой, при наличии, или возле гидрогеля, для обнаружения магнитных полей от частиц, связанных с гидрогелем.
[0078] Хотя магнитные частицы заключены в слое в верхней части гидрогеля, в некоторых вариантах осуществления сам гидрогель (или его часть) может содержать частицы. Слой, содержащий частицы, при его наличии, может быть твердым или может быть пористым, или содержит перфорацию для обеспечения доступа анализируемых компонентов к гидрогелю (фиг. 18). Слой, содержащий частицы, может быть изготовлен из гидрогеля (такого же или иного, чем подстилающий гидрогель), другого полимера или силикона, среди различных возможных материалов.
[0079] В некоторых вариантах осуществления гидрогель и/или верхний слой может быть сформирован в соответствии со следующими процедурами:
[0080] (1) Подготовка гелеобразующего вещества (гидрогель, силикон, эпоксидная смола и др.) и смеси магнитных частиц для формирования однородного раствора,
[0081] (2) Формирование тонкого слоя раствора на подложке и обеспечение того, чтобы магнитные частицы были распределены равномерно,
[0082] (3) Подвергание пленки воздействию внешнего магнитного поля с необходимой конфигурацией поля во время процесса полимеризации для обеспечения выравнивания частиц в полимеризованном слое,
[0083] (4) При формировании в качестве отдельного слоя данный слой затем может быть расположен поверх гидрогеля, чувствительного к анализируемому компоненту.
[0084] Глубина плоскости, вдоль которой выровнены частицы, может быть изменена путем регулирования величины прилагаемых внешних магнитных полей во время процесса отверждения.
[0085] Магнитные частицы на фиг. 16 расположены в виде магнитной сборки Хальбаха (фиг. 16, вставка). Конкретное расположение частиц (например, со смежными вертикально выровненными и горизонтально выровненными частицами, магнитные поля которых направлены в противоположных направлениях) вызывает магнитное поле, распространяющееся, главным образом, в одном направлении от плоскости гидрогеля или слоя частиц. На фиг. 17 показано другое расположение, в котором частицы выровнены равномерно, например, горизонтально, как показано (фиг. 17, вставка), или вертикально. В случае однородно расположенных частиц магнитные поля распространяются сравнительно одинаково в обоих направлениях от плоскости гидрогеля или слоя частиц. В различных вариантах осуществления рабочее расстояние, на котором магнитные поля поддаются обнаружению, находится в диапазоне от десятков микронов до нескольких миллиметров от частиц.
[0086] Магнитная сборка Хальбаха или равномерное магнитное поле может быть создано в слое или гидрогеле путем подвергания слоя или гидрогеля воздействию соответствующего магнитного поля во время отверждения. В частности, частицы магнитной сборки Хальбаха могут быть выполнены одним или несколькими возможными способами: (1) один способ создания данной сборки заключается в однородном распределении ферромагнитных частиц в полимере и формировании магнитного композитного листа, как указано выше, а затем намагничивании листа, используя намагничивающее устройство с заданной схемой. Полимеры, которые могут быть использованы, например, помимо прочего, представляют собой силиконы, полиуретаны, полиэтилены, гидрогели и другие полимеры, (2) другой способ заключается в выборе изготовленного заранее, промышленным способом, листового материала магнитной сборки Хальбаха и использование его для «отображения» ее магнитного расположения в гидрогеле. Это может дополняться равномерно распределенными постоянно намагниченными частицами на выбранной магнитной сборке Хальбаха, гарантируя, что частицы образуют схему матрицы на листе. Затем гелеобразующий раствор гидрогеля может быть распределен на листе, содержащем упорядоченные магнитные частицы, с последующей полимеризацией гелеобразующего раствора для формирования магнитного гидрогелевого состава. Магнитные частицы могут быть поверхностно модифицированными для полимеризации с гелеобразующим раствором и/или для содействия биосовместимости.
[0087] В разнообразных других вариантах осуществления возможны также другие расположения магнитных частиц, которые доводят до максимума градиент магнитного поля, включая установку, имеющую внутреннее и внешнее (относительно гидрогеля) расположение магнитных частиц/источника для (1) экранирования помех, (2) улучшения градиента магнитного поля.
2
2
[0088] Возможные материалы из магнитных наночастиц включают в себя частицы постоянного магнетика, такого как частицы ферро- или ферримагнетика, редкоземельные сплавы (самарий-кобальт, неодим-железо-бор), керамические ферриты (бариевый или стронциевый феррит) и другие магнитные материалы. Размеры магнитных частиц/наночастиц могут находиться в диапазоне от 20 нм до десятков микронов, при типичном размере около 1 микрона. В различных вариантах осуществления концентрация магнитных частиц/наночастиц находится в диапазоне, либо в гидрогеле и/или в отдельном слое пленки, до 10% по массе. Не имеющий ограничительного характера перечень анализируемых компонентов, с которыми может взаимодействовать гидрогель, включает в себя глюкозу, фруктозу, ионную силу / осмотическую концентрацию раствора, окислительный стресс, гидратацию, рН, СO, O, лактат, тромбин и другие белки, и конкретные типы клеток. Раскрываемые здесь системы датчиков на основе гидрогеля могут быть использованы для определения наличия и уровней различных анализируемых компонентов.
[0089] Различные отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения изложены в следующих пунктах формулы.