بیوسنسورها و کاربردهای آن در پزشکی

بیوسنسورها و کاربردهای آن در پزشکی


چکيده
در سالهاي اخير کاربردهاي زيست فناوري و پزشکي فناوري ميکرو ونانو که معمولا از آن به عنوان سيستمهاي ميکروي الکتريکي
مکانيکي پزشکي يا زيست فناوري ) (BioMEMنام برده ميشود، بهصورت فزايندهاي رايج شده است و کاربردهاي وسيعي همچون
تشخيص و درمان بيماري و مهندسي بافت پيدا کرده است. در حين اين که تحقيقات و گسترش فعاليت در اين زمينه هم چنان
به قوت خود باقي است، بعضي از اين کاربردها تجاري هم ميشود. در اين مقاله پيشرفتهاي اخير در اين زمينه را مرور کرده و
خلاصهاي از جديدترين مطالب در حوزه BioMEMرا با تمرکز روي تشخيص و حسگرها ارائه ميشود.
1ـ عضو هيئت علمي دانشکده پيراپزشکي دانشگاه علوم پزشکي ارتش
مقدمه
بيوسنسورها کاربردهاي بسياري در پزشکي، تحليل محيطي
و صنايع شيميايي دارند. نياز به روشهايي جهت حس کردن
مولکولهاي زيستي کوچک وجود دارد. حسهاي بويايي و چشايي
ما دقيقا همين کار را انجام ميدهد و سيستم ايمني بدن ميليونها
نوع مولکول مختلف را شناسايي ميکند. شناسايي مولکولهاي
کوچک تخصص بيومولکولها است، لذا اينها شيوه جديد و جذابي
براي ساخت سنسورهاي خاص را پيش رو قرار ميدهد. دو مولفه
اساسي در اين راستا وجود دارد. المان شناساگر و روشهايي براي
فراخواني زماني که المان شناساگر هدف خودش را پيدا ميکند.
اغلب المان شناساگر تحت تاثير منبع زيست فناوري تغيير نميکند.
مشکل اصلي در اين کار طراحي يک واسطه مناسب به يک وسيله
بازخواني بزرگ است.از آنتي باديها به صورت گسترده به عنوان
بيوسنسور استفاده ميشود. آنتي باديها بيوسنسورهاي پيشتاز در
طبيعتاند، به همين دليل توسعه تستهاي تشخيصي با استفاده
از آنتيباديها، يکي از زمينههاي بسيار موفق در بيوفناوري است.
شايد آشناترين مثال تست سادهاي است که براي تعيين گروه خوني
استفاده ميشود. بيوسنسورهاي گلوکز از موفقترين بيوسنسورهاي
موجود در بازار است. بيماران مبتلا به ديابت نياز به شيوههاي
مرسوم جهت پايش سطح گلوکز خود دارد. سنسورهاي قابل
کاشت و غير تهاجمي در حال توسعه است، اما در حال حاضر در
دسترسترين شيوه بيوسنسور دستي است که يک قطره از خون
را تحليل ميکند.
BioMEM تعريف
از زمان آغاز سيستمهاي MEMدر اوايل دهه ،1970اهميت
کاربردهاي پزشکي اين سيستمهاي مينياتوري درک شد. BioMEM
ها در حال حاضر يک موضوع بسيار مهم است که تحقيقات بسياري
در زمينه آن انجام شده است و کاربردهاي پزشکي مهم بسياري
دارد. در حالت کلي ميتوان BioMEMها را به عنوان دستگاهها يا
سيستمهايي ساخته شده با روشهاي الهام گرفته شده از ساخت
در ابعاد ميکرو /نانو، که براي پردازش، تحويل، دستکاري، تحليل يا
ساخت ذرات شيميائي و بيولوژيک استفاده ميشود، تعريف کرد. اين
وسايل و سيستمها همه واسطههاي علوم زندگي و ضوابط پزشکي
با سيستمهاي با ابعاد ميکرو و نانو را شامل ميشود. حوزههاي
تحقيقات و کاربردها در BioMEMاز تشخيص بيماريها مانند
ميکرو آرايههاي پروتئيني و،DNAتا مواد جديدي براي،BioMEM
مهندسي بافت، تغيير و اصلاح 5سطح، BioMEMهاي قابل کاشت،
سيستمهايي براي رهايش دارو و.... را شامل ميشوند. وسايل و
سيستمهاي فشردهايي که از BioMEMها استفاده ميکنند، به عنوان
بیوسنسورها و کاربردهای آن در پزشکی
31
مژگان محمدي مهر
«آزمايشگاه روي يک چيپ» و سيستمهاي تحليل تمام ميکرو
( µ TASيا )micro-TASنيز شناخته ميشود. شکل ( )1شماتيک رسم
شده از قسمتهاي کليدي حوزههاي تحقيقاتي را نشان ميدهد.
شکل 1
بيوسنسورها (سنسورهاي دمايي)
اندازهگيريهاي متعددي در ارتباط با انرژي حرارتي سيستم
بيولوژيک قابل انجام است. اينها شامل دما، هدايت گرمايي و
تشعشع گرمايي هستند.از بين اينها، اندازهگيري دما به طور معمول
انجام ميشود. دما متغييري فيزيولوژيک است که از نظر کلينيکي
اهميت دارد و يکي از4علامت حياتي اساسي استکه در تشخيص
کلينيکي بيماران مورد استفاده واقع ميشود. سنسور، مهمترين
جزء يک سيستم اندازهگيري دما است. در واقع يک ابزار دقيق
اندازهگيري دما، دماي سنسور را نشان ميدهد از اين رو مشکل
موجود در اندازهگيريهاي پزشکي دما، نگهداشتن سنسور دما
دردماي فيزيولوژيکي مورد اندازهگيري است. آسانترين راه انجام
اين کار نگهداشتن سنسور دما در تماس مستقيم با ساختاري است
که دمايش اندازهگيري ميشود. با اين حال، اين به تنهايي کافي
نيست چرا که سنسور دما ممکن است دماي بافت در تماس با خود
ً را تغيير دهد. مثلا، چنانچه سنسور در ابتدا دماي کمتري نسبت به
بافت اندازهگيري شونده داشته باشد زماني که در تماس مستقيم با
آن بافت قرار ميگيرد، گرما از بافت به سنسور دما جريان مييابد.
اگر انرژي گرمايي هدايت شده به داخل بافت يا انرژي گرمايي
توليد شده به روشهاي متابوليک در بافت، نتوانند جاي آن گرما را
بگيرند، قرار دادن سنسور دما در تماس مستقيم با بافت آن را سرد
ميکند و در نتيجه دما غلط قرائت ميشود به اين دليل، جرم موثر
گرمايي سنسور دما همواره بايد بسيار کمتر از جرم موثر گرمايي
بافت مورد اندازهگيري باشد. از اين گذشته، مهم است که مقاومت
گرمايي بين سنسور واقعي و بافت مورد اندازهگيري حتي الامکان
کم باشد. سنسورهاي معمول دما که در ابزارهاي دقيق مهندسي
پزشکي مورد استفادهاند عبارتنداز: -1ترميستور -2سنسورهاي
دماي مقاومت سيمي فلزي -3ترموکوپل -4نيمه هادي اتصال pn
-5مواد حساس به دما مانند کريستالهاي مايع که خواص فيزيکي
شان را دما تغيير ميدهد.
از بين اين موارد، ترميستور معمولترين سنسور دما در اندازهگيري
مهندسي پزشکي است. اين سنسور از اکسيدهاي فلزي نيمه هادي
تشکيل يافته است که به اندازهها و اشکال فيزيکي متنوعي درآورده
ميشوند. اين اشکال از ترميستورهاي قيطاني خيليکوچککهکروي
هستند و قطرهايي به کوچکي 1 mmدارند، گرفته تا ديسکهاي
مسطح بزرگي که داراي قطر چند سانتي متر است، تنوع دارند. مواد
ترميستوري را طوري ساخته اند که تغيير در مقاومت در محدوده
دمايي موردنظر به حداکثر برسد و در همان حال حد بالايي از پايداري
الکتريکي داشته باشند تا از تغييرات مقاومت در اثر ديگر منابع، يا
به طور ساده با کهنه شدن خود ماده، جلوگيري شود. طراحي اين
پروب، عامل مهمي در عملکرد کل ابزار است.
مجله دانشکده پیراپزشکی ارتش جمهوري اسلامي ايران سال چهارم شماره 1بهار و تابستان 1388شماره مسلسل 6
32
سنسورهاي متغييرهاي ديناميک خون
(hemodynamic variables)
دو تا از مهمترين و در اين حال مشکلترين متغييرها جهت
اندازهگيري، فشار خون و جريان خون هستند. اين کميتها
متغييرهاي مهم دستگاه گردش خون را نشان ميدهد. با اينکه
امروزه چندين روش مستقيم تهاجمي براي اندازهگيري آنها وجود
دارد، راههاي علمي و موثر جهت اندازهگيري آنها به طريق غير
تهاجمي هنوز بايد توسعه يابد. نمونههاي زير دو تا از مشهورترين
سنسورهاي اين متغييرها را نشان ميدهد:
يکي از معمولترين روشهاي اندازهگيري جريان خون، اندازهگيري
الکترومغناطيسي جريان خون است. در اين روش دور رگ تحت
اندازهگيري قرار داده ميشود که يک مدار مغناطيسي معادل دارد،
اين ميدان عمود بر محور رگ از آن عبور ميکند. و ميتوان آن را
با يک آهنرباي دايمي يا الکتريکي توليد نمود که آهنرباي الکتريکي
بيشتر مورد توجه است، زيرا ميتواند ميدانهاي متغير با زمان توليد
نمايد. خون داراي اجزاي زيادي استکه بعضي از آنها مانند يونهاي
غير آلي و پروتيينها باردار هستند. اين ذرات باردار که از درون
ميدان مغناطيسي ميگذرند با نيروي توليد شده در جهتي منحرف
ميشوند که هم بر جهت ميدان مغناطيسي و هم بر جريان خون
عمود است. به علت اينکه بارهاي مثبت به يک سمت رگ و بارهاي
منفي به سمت ديگر منحرف ميشوند، يک ميدان الکتريکي در رگ
در جهت نيروي منحرف کننده بوجود ميآيد. اين ميدان منجر به
اختلاف پتانسيل متناسب با سرعت جريان خون در مبدل است.
مبدل بايد طوري طراحي گردد که خوب دور رگ را بگيرد و الکترودها
با آن خوب تماس داشته باشند. اين آرايش قطر رگ را در نتيجه
سطح مقطع آن ثابت نگه ميدارد، چون رگ ديگر نميتواند مثل
حالتي که غلاف نيست با افزايش فشار خون منبسط شود. بنابراين،
قرار دادن مبدل جريان، سطح مقطع رگ را قرار ميبخشد و جريان
حجمي متناسب با سرعت خون خواهد شد، پس ولتاژ القا شده در
الکترودهاي پروب الکترو مغناطيس متناسب با جريان خواهد بود.
اين روش اندازگيري جريان خون عمدتا در تحقيقات آزمايشگاهي
به کار ميرود. يک کاربرد متداول آن در اندازگيري حجم ضربهاي و
برونده قلب است. اگر يک مبدل جريان دور آئورت، در نقطههايي
که از قلب خارج ميشود قرار دهيم، همه خون خروجي قلب به
جز قسمتي که به شريانهاي کرونري وارد ميشود، را از خود عبور
و مورد اندازهگيري قرار ميدهد.