История имплантируемой техники. МЭМС
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой класс миниатюрных устройств и систем, изготовленных с помощью микрообработки процессов. Главный критерий при создании МЭМС — их размер. Обычно он не превышает 1 мм. Технологии МЭМС являются предшественником относительно более популярной области технологий, где размер устройств начинается от 100 нанометров.
Изначально термин МЭМС был придуман для обозначения миниатюрных датчиков и исполнительных механизмов, действующих между электрическими и механическими областями устройства. Постепенно термин эволюционировал вместе с самими МЭМС и охватил широкий спектр различных микроустройств, изготовленных при помощи микромеханической обработки.
Аналогичным образом термин «биомедицинские микроэлектромеханические системы» используется для обозначения науки и технологии производства микроприборов для биологических и медицинских применений. К ним относят биомедицинские датчики, имплантаты, микрохирургические инструменты и другие устройства.
Изобретение точечного транзистора Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году послужило толчком к созданию МЭМС. Первый транзистор был размером с 1,3 сантиметра, что намного больше нынешних. Современные технологии позволяют создавать транзисторы диаметром около 1 нанометра.
В 1954 году К.С. Смит обнаружил и описал пьезорезистивный эффект — изменение электрического сопротивления полупроводника или металла под воздействием механической нагрузки. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменения только в электрическом сопротивлении, а не в электрическом потенциале.
В результате экспериментов стало понятно, что кремний и германий более чувствительны к давлению воздуха или воды, чем металлы. Во многих устройствах МЭМС, таких как тензодатчики, датчики давления и акселерометры, используется пьезорезистивный эффект в кремнии.
Результатом открытия этого эффекта в полупроводниках стало начало промышленного производства датчиков давления на основе кремния. В 1959 году компания Kulite первой поставила их производство на поток.
При создании транзисторов инженеры сталкивались с ограничением размера. Каждый транзистор нужно было подсоединять проводами ко всей остальной электронике. Тогда возникла необходимость в чем-то таком, что могло бы вмещать в себя транзисторы, резисторы, емкости и соединительные провода. Одна такая подложка позволила бы создавать миниатюрные устройства.
Так в 1958 году два человека — Джек Килби из американской компании Texas Instruments и Роберт Нойз из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга — собрали интегральную схему. Схема Килби состояла из транзистора, трех резисторов и одной емкости на кристалле германия — так называемая «твердая схема». Схема Нойза получила название «унитарной» и была сделана на кремниевом кристалле.
Схема Килби
В 1964 году компания Westinghouse Electric собрала первую серийную МЭМС. В устройстве, которое назвали резонансным затворным транзистором, были собраны механические и электронные компоненты. Транзистор работал как своеобразный частотный фильтр — пропускал электрические сигналы определенного диапазона.
Первое коммерческое применение МЭМС не заставило себя долго ждать: в 70-х годах Курт Петерсон из лаборатории IBM собрал микромеханический датчик давления, который нашел применение в датчиках кровяного давления.
В 1993 году компания Analog Devices стала первой серийно выпускать акселерометры МЭМС. В большинстве своем они использовались в автомобильной промышленности, но с годами область их применения расширилась до автономных систем навигации, игровых контроллеров, а также мобильных и компьютерных систем.
Области применения технологии МЭМС
В первые годы своего существования технология МЭМС оказалась революционной для многих областей науки, в том числе механики, акустики, оптики и других. Со временем появились уникальные решения и продукты в химической, биологической и медицинской области. МЭМС проникли в бытовую технику и электронику, автомобильную, биомедицинскую и аэрокосмическую промышленность.
Датчики давления
Первые микроэлектромеханические устройства, которые использовались 1980-х годах в биомедицинской промышленности — многоразовые датчики кровяного давления. Современные датчики давления МЭМС измеряют внутриглазное, внутричерепное, внутриутробное давление, а также используются во время ангиопластики.
По данным ВОЗ, глаукома — вторая самая частая причина слепоты после катаракты. Имплантируемые датчики давления позволяют непрерывно мониторить внутриглазное давление у пациентов с глаукомой. В здоровом глазу поддерживается давление в диапазоне 10–22 мм ртутного столба. Аномально высокое давление (>22 мм) и его колебания рассматриваются в качестве основных факторов риска развития глаукомы.
Это заболевание часто возникает без каких-либо заметных симптомов и боли, но может привести к необратимому и неизлечимому повреждению зрительного нерва. Без своевременного лечения страдает периферическое зрение и иногда наступает полная слепота.
Один из датчиков, измеряющих ВГД, показан ниже. Он представляет собой одноразовую контактную линзу с элементом датчика давления МЭМС. Датчик включает в себя петлю антенны (золотое кольцо), микропроцессор специального назначения — чип 2×2 мм и тензорезисторы для измерения кривизны роговицы в ответ на изменения внутриглазного давления. Петля антенны получает питание от внешней системы мониторинга и передает информацию обратно в систему.
Инерциальные датчики
Акселерометры МЭМС используются в дефибрилляторах и кардиостимуляторах. Пациенты, страдающие от учащенного или хаотичного сердцебиения, зачастую подвержены наиболее высокому риску остановки сердца или сердечного приступа.
Кардиостимулятор поддерживает нормальное сердцебиение путем передачи электрических импульсов к сердцу. В современных устройствах используются МЭМС-акселерометры, которые регулируют частоту сердечных сокращений в соответствии с физической активностью пациента.
Кроме того, инерциальные датчики МЭМС — акселерометры и гироскопы — использовались для разработки одной из самых необычных инвалидных колясок iBOT Mobility System. Сочетание нескольких датчиков позволяет пользователю управлять инвалидным креслом и регулировать высоту кресла, заставляя коляску балансировать на двух колесах. Таким образом человек в коляске может взаимодействовать с другими людьми лицом к лицу.
Измерительные преобразователи
Измерительные преобразователи нашли свое применение в слуховых аппаратах. Эти электроакустические приспособления используются для приема, усиления и направления звука в ухо. Таким образом слуховые аппараты компенсируют потерю слуха и делают аудиосигналы более различимой для пользователя.
Согласно статистике, 80% людей с частичной или полной потерей слуха не устанавливают слуховые аппараты. Причинами зачастую является нежелание признавать потерю слуха и социальные стереотипы, связанные с заблуждениями о ношении слуховых аппаратов. Следуя этим данным, многие производители вкладывают силы и деньги в миниатюризацию аппаратов, которая при этом не шла в ущерб производительности.
Технологии МЭМС позволяют уменьшить форм-фактор, стоимость и энергопотребление по сравнению с традиционными решениями. Так, например, Analog Devices, объем которого составляет всего 7,3 мм3, включает в себя микрофон МЭМС, подходящий в качестве слухового аппарата.
Микрогидродинамические системы
Микрогидродинамика представляет собой область научного знания, в которой рассматривается поведение малых объемов и потоков жидкостей. Типичная микрогидродинамическая система состоит из: игл, каналов, клапанов, насосов, смесителей, фильтров, датчиков и резервуаров.
Такие системы часто используются для проведения медицинских тестов у постели больного. Особую роль такие тесты и анализы играют в развивающихся странах, где доступ к больницам ограничен, а лечение обходится дорого. Диагностические микрогидродинамические системы используют телесные жидкости (слюну, кровь или образцы мочи) для предварительной подготовки образца для анализа, обнаружения искомого компонента в пробе вещества, а также для анализа данных и отображения результатов. Одной из самых широко известных и распространенных микрогидродинамических систем является тест на беременность.
Кроме того, эти системы используются для доставки лекарственных средств в конкретный орган человека. Так, при помощи микроигл осуществляется чрескожная доставка лекарственных средств. Существуют еще имплантируемые системы доставки (инсулиновая помпа, стенты с лекарственными препаратами) и непосредственно средства доставки лекарства (микро- и наночастицы).
Для больных сахарным диабетом в 2012 году была разработана специальная система доставки инсулина — JewelPUMP. Первая версия была установлена на одноразовый кожный пластырь и обеспечивала непрерывную подачу инсулина в организм человека. Вся система весила всего 25 граммов и вмещала до 5000 единиц инсулина, которого хватало на 7 дней без дополнительного пополнения или замены.
Микромеханические иглы
Современные технологии микрообработки позволяют изготавливать иглы размером менее 300 мкм, что является пределом традиционных методов обработки. Как правило, длина микроиглы МЭМС составляет менее 1 мм. Их используют для доставки лекарственных средств, записи биомедицинских сигналов, взятия проб жидкостей, раковой терапии и микродиализа.
Часто такие микроиглы интегрируются в какое-либо устройство и используются в сочетании с системами микроканалов. Твердые и полые микроиглы изготавливаются при помощи микрообработки из кремния, стекла, металлов и полимеров. Они бывают разных форм — от цилиндрических до восьмиугольных.
Твердые микроиглы, изготавливаемые методом реактивного ионного травления кремния.
Микрохирургические инструменты
Малоинвазивная хирургическая процедура призвана обеспечить диагностику, мониторинг или лечение заболеваний путем проведения операций с очень маленькими разрезами или даже через естественные отверстия на теле человека. Преимущества такой хирургии перед традиционной открытой — меньше боли, минимальное повреждение тканей и количество рубцов, быстрое восстановление после операции, а зачастую и более низкая стоимость для пациента.
К общим процедурам малоинвазивной хирургии относят ангиопластику, катетеризацию, эндоскопию, лапароскопию и нейрохирургию. Микрохирургические инструменты на основе МЭМС являются наиболее приемлемыми технологиями в малоинвазивной хирургии.
Так для проведения процедуры ангиопластики, предназначенной для восстановления нормального кровотока через закупоренные артерии, используются сердечные стенты. Их вводят в кровеносный сосуд через катетер, чтобы расширить сосуд. Существует два основных типа стентов: металлические и полимерные стенты Полимерные, в свою очередь, подразделяются на рассасываемые и нерассасываемые. Очевидно, что первые являются более привлекательными, поскольку могут раствориться внутри тела после того, как выполнят свое предназначение.
С момента первого серийного выпуска МЭМС прошло уже более 50 лет. За это время технология биомедицинских МЭМС прочно вошла в нашу жизнь: с ее помощью стало возможным помогать людям с ограниченными возможностями, лечить серьезные заболевания и проводить безопасные хирургические операции. Технология продолжает активно развиваться благодаря созданию и открытию новых материалов, что позволяет уменьшать размеры МЭМС и тем самым расширять сферу их применения.
