JP2020522693A

JP2020522693A - 汗の中の注目する標的の検出および分析のための薄い軟質皮膚装着マイクロ流体ネットワーク

Info

Publication number: JP2020522693A
Application number: JP2019566267A
Authority: JP
Inventors: ジョン・エー・ロジャース; タイラー・アール・レイ; ジュンギル・チェ; イ・ジャン
Original assignee: Northwestern University
Current assignee: Northwestern University
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2020-07-30
Also published as: EP3629899A1; EP3629899A4; WO2018223044A1; US20200093416A1

Abstract

本細書において提供されるのは、様々な使用条件および使用方法に対応するバイオマーカーに対する生体液の分析において有用な可撓性マイクロ流体表皮システムおよび方法である。提供されるシステムは、原位置または後の実験室試験のいずれかで、医療試験またはスクリーニングを可能にするために皮膚との形状適合接触を形成するように構成されている。説明されているデバイスおよび方法は、嚢胞性線維症スクリーニング、グルコース監視、薬物および/またはアルコール試験、クレアチニン監視、尿素監視、pH測定および透析治療効果試験に使用され得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、本明細書と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に明確に組み込まれている、2017年6月2日に出願された、米国仮特許出願第62/514,515号に対する優先権の利益を主張するものである。

マイクロ流体力学は、広範にわたる産業および商業製品に強く影響を及ぼす様々な用途に利用される技術基盤を提供する。たとえば、医療診断の分野では、マイクロ流体力学は、医療診断および疾病治療に革命をもたらす潜在的能力を有するまったく新しいクラスのセンサおよびアッセイを開発するうえで必要不可欠なものとなっている。たとえば、ラボオンチップおよびマイクロアレイシステムが、微量の生体液中のバイオマーカーの高感度および迅速ポイントオブケア分析(highly sensitivity and rapid point of care analysis)を行うためにマイクロ流体試料捕集、調製、取り扱い(microfluidic sample collection, preparation and handling)を利用する臨床病理学のために開発されている。ハイスループットDNAシーケンシング、質量分析ベースのプロテオミクス、細胞発現および撮像を含む他のバイオテクノロジーおよび医学的応用をサポートするためにマイクロ流体力学の進歩も活用されてきた。

ウェアラブルシステムは、マイクロ流体力学の進歩に新しいクラスの製品および高度な機能形態を使用可能にする潜在性があるもう1つの技術である。たとえば、表皮電子機器(epidermal electronics)における最近の開発成果は、皮膚の界面における効率的なマイクロ流体試料採取に適合しているあるクラスの皮膚装着センサおよびアクチュエータを提供する。そのようなマイクロ流体力学対応表皮システムには、バイオマーカーの分析、薬物投与、ならびに糖尿病、炎症、および水分状態を含む病状のリアルタイム診断および監視を含むヘルスケアにおける広範な臨床的応用をサポートする潜在性がある。たとえば、米国特許出願公開第20060253011号、米国特許出願公開第20100179403号、国際公開第WO2016/025468号、国際公開第WO2016/025438号、国際公開第WO2010030609号、米国特許出願公開第20070027383号、米国特許出願公開第20070179371A1号、米国特許第4960467号、米国特許第6198953号、および国際公開第WO2009025698A1号を参照のこと。

前述の説明から理解されるように、マイクロ流体力学的機能性を汗の中の特定のおよび選択的な検体と一体化するウェアラブルシステムの開発が必要とされている。たとえば、臨床的に関連する時間間隔にわたって生体液の定量的に信頼可能な捕集および取り扱いを達成するために皮膚との間に堅牢な界面をもたらす物理フォーマットおよび機械的特性を有するウェアラブルシステムが必要である。それに加えて、ウェアラブルシステムを使用するある範囲の検体試験をサポートするために生体液の効果的な捕集、前処理、貯蔵、および分析を行うことができるマイクロ流体システムが必要である。

米国特許出願公開第20060253011号米国特許出願公開第US20100179403号国際公開第WO2016/025468号国際公開第WO2016/025438号国際公開第WO2010030609号米国特許出願公開第20070027383号米国特許出願公開第20070179371A1号米国特許第4960467号米国特許第6198953号国際公開第WO2009025698A1号

本細書において提供されるのは、様々な使用条件および使用方法に対応するバイオマーカーに対する生体液の分析において有用な可撓性マイクロ流体表皮システムである。提供されるシステムは、原位置または後の実験室試験のいずれかで、医療試験またはスクリーニングを可能にするために皮膚との形状適合接触を形成するように構成されている。説明されているデバイスおよび方法は、嚢胞性線維症スクリーニング、グルコース監視、薬物および/またはアルコール試験、クレアチニン監視、尿素監視、pH測定および/または透析治療効果試験に使用され得る。

説明されているシステムは多目的に使用でき、デバイス分析器および/または比色センサ上で、後の実験室分析のための取り外しを含む、様々な感知または分析アプローチを単独でもしくは組み合わせて使用し得る。これは、単一のデバイスまたはシステムによる複数のバイオマーカーの検出もしくは定量化を可能にし得る。

一態様において、提供されるのは、汗の中のバイオマーカーの検出のための方法であり、これは、a)表皮マイクロ流体デバイスを被検体の皮膚に付けることであって、形状適合接触が確立されそれによってデバイスと皮膚との間に流体連通をもたらし、デバイスは、i)可撓性基板と、ii)機能性基板内に埋め込まれるか、または機能性基板によって支持される汗流入口と、iii)汗流入口に流体的に接続されるリザーバチャンバーとを備える、付けることと、b)デバイス内で被検体からの汗を捕集することと、(c)汗の中の1つまたは複数のバイオマーカーの量を識別するか、または定量化することと、d)前記被検体から捕集された前記汗の量または前記汗の流量を測定することであって、前記1つまたは複数のバイオマーカーは、i)嚢胞性線維症の監視またはスクリーニング、ii)薬物またはアルコール消費量の監視、iii)透析効果の監視、iv)グルコースレベルの監視、v)クレアチニンレベルの監視、vi)尿素レベルの監視、ii)pHの監視、またはこれらの任意の組合せを行うためのものである、測定することとを含む。

一態様において、提供されるのは、汗の中のバイオマーカーの検出のための方法であり、これは、i)表皮マイクロ流体デバイスを被検体の皮膚に付けることであって、形状適合接触が確立されそれによって前記デバイスと前記皮膚との間に流体連通をもたらし、前記デバイスは、a)可撓性基板と、b)前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、c)汗流入口に流体的に接続されるリザーバチャンバーとを備える、付けることと、ii)前記デバイス内で前記被検体からの前記汗を捕集することと、iii)前記汗の中の1つまたは複数のバイオマーカーの量を、時間の関数として、識別するか、または定量化することと、iv)前記被検体から捕集された前記汗の量または前記汗の流量を測定することと、v)前記汗の中の1つまたは複数のバイオマーカーに基づき前記被検体の健康状態を監視することとを含む。

一態様において、提供されるのは、汗の中のバイオマーカーの検出のための方法であり、これは、i)表皮マイクロ流体デバイスを被検体の皮膚に付けることであって、形状適合接触が確立されそれによって前記デバイスと前記皮膚との間に流体連通をもたらし、前記デバイスは、a)可撓性基板と、b)前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、c)少なくとも1つの比色センサを有する第1のリザーバチャンバーであって、前記リザーバチャンバーは、汗流入口に流体的に接続される、第1のリザーバチャンバーと、d)分析器に動作可能に接続されている第2のリザーバチャンバーとを備える、付けることと、ii)前記デバイス内で前記被検体からの前記汗を捕集することと、iii)前記汗の中の少なくとも2つのバイオマーカーの量を識別するか、または定量化することであって、前記バイオマーカーの各々は、固有のリザーバチャンバー内で識別されるか、または定量化される、識別するか、または定量化することと、iv)前記汗の中の少なくとも2つのバイオマーカーに基づき前記被検体の健康管理状態を監視することとを含む。

デバイスは、リザーバチャンバーと一体化されているか、または流体的に接続されている分析器をさらに備え得る。1つまたは複数のバイオマーカーの量を識別するか、または定量化するステップは、表皮マイクロ流体デバイスを使用して原位置で実行され得る。デバイスは、リザーバチャンバーに流体的に接続されている汗流出口をさらに備えるものとしてよく、方法は、汗流出口を通してデバイスから汗を取り出すステップをさらに含むものとしてよい。1つまたは複数のバイオマーカーの量を識別するか、または定量化するステップは、外部実験室ベースのステップであってよい。

可撓性基材はポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリウレタン、セルロース紙、セルローススポンジ、ポリウレタンスポンジ、ポリビニルアルコールスポンジ、シリコーンスポンジ、ポリスチレン、ポリイミド、SU-8、ワックス、オレフィンコポリマー、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、キトサン、およびこれらの任意の組合せからなる群から選択される物質を含むものとしてよい。

デバイスは、接着剤層をさらに備えるものとしてよく、接着剤層は、汗流入口と流体的に連通する第2の補助部を備える。接着剤層は、皮膚表面に可逆的に接着することができるものとしてよい。接着剤層は、医療グレードのアクリル、シリコーン、または親水コロイドを含み得る。

バイオマーカーは、嚢胞性線維症に対応し得る。バイオマーカーは、塩化物であってよい。バイオマーカーは、アルコールおよび/または不正薬物、たとえば、マリファナ、コカイン、ヘロイン、リセルグ酸ジエチルアミド(LSD)、サイロシビン、メタンフェタミン、ケタミン、またはこれらの組合せの有無に対応し得る。バイオマーカーは、グルコースであってよい。バイオマーカーは、腎臓または透析効率に対応し得る。バイオマーカーは、クレアチニンであってよい。バイオマーカーは、尿素であってよい。バイオマーカーは、pHであってよい。表皮マイクロ流体デバイスは、複数のリザーバを有するものとしてよく、各リザーバは、異なるバイオマーカーを識別または定量化するために使用される。

表皮マイクロ流体システムは、比色センサまたは複数の比色センサをさらに備え得る。比色センサは色素であってよく、前記色素は前記表皮マイクロ流体デバイスによって捕集された汗の量の視覚的表現を提供する。比色センサは各々、汗の体積もしくは量、流量、組成、またはこれらの任意の組合せの定量化のための1つまたは複数の呈色応答試薬を含み得る。比色センサは各々、塩化物、グルコース、アルコール、不正薬物、尿素、クレアチニン、またはpHの定量化のための1つまたは複数の呈色応答試薬を含み得る。

1つまたは複数の呈色応答試薬は、1つまたは複数のバイオマーカーと反応する指示試薬であってよい。表皮マイクロ流体デバイスは、複数のリザーバチャンバーを備えるものとしてよく、その各々は1つまたは複数の呈色応答試薬を有し、前記呈色応答試薬の各々は、複数のチャンバーリザーバのうちのそれぞれのリザーバ内に固定化される。

1つまたは複数の呈色応答試薬は、色素、CoCI₂、グルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、ヨウ化カリウム、乳酸デヒドロゲナーゼ、ジアフォラーゼ、ホルマザン色素、水銀イオンもしくは鉄イオンとの2,4,6-トリ(2-ピリジル)-s-トリアジン(TPTZ)錯体、2,2'-ビシンコニン酸、1,10-フェナントロリン、万能pH指示薬、クロラニル酸銀、およびこれらの任意の組合せからなる群から選択され得る。表皮マイクロ流体デバイスは、1つまたは複数の色較正マーカーを有するものとしてよい。表皮マイクロ流体デバイスは、さらなるイオン選択性電極および/または電気化学センサを備え得る。

表皮マイクロ流体デバイスは、温度センサをさらに備えるものとしてよく、たとえば、温度センサは前記被検体の体温を提示する前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される。表皮マイクロ流体デバイスは、ワイヤレスデバイス、たとえば、送信機、受信機、送信機と受信機の両方、NFCコイル、をさらに備えるものとしてよい。ワイヤレスデバイスは、ワイヤレス給電され得る。ワイヤレスデバイスは、少なくとも1つのLEDをさらに備えるものとしてよく、これは、前記汗の捕集が完了したとき、もしくは前記表皮マイクロ流体システムが前記汗で満杯になったときに前記被検体に通知するか、または前記バイオマーカーの定量化もしくは識別が完了したときに前記被検体に通知するものとしてよい。

被検体は、人間被検体、たとえば、診断手技を受けている、治療手技を受けている、疾病状態の存在、発症、または進行を監視している、またはフィットネス活動を受けている人間被検体であってよい。健康状態を監視することは、病状もしくは疾病を監視すること、処置の有効性を監視すること、治療の効果を監視すること、または物理的状態を監視することを含み得る。

一態様において、提供されるのは、被検体の皮膚からの汗の捕集のための表皮マイクロ流体システムであり、前記デバイスは、i)可撓性基板と、ii)前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、iii)汗流入口に流体的に接続されている少なくとも1つのリザーバチャンバーと、iv)外部実験室ベースのバイオマーカー分析のために前記マイクロ流体システムから前記汗を取り出すことを可能にするように構成されている前記リザーバチャンバーに流体的に接続されているマイクロ流体流出口であって、前記マイクロ流体システムは、被検体の皮膚表面との形状適合接触を確立することができる、マイクロ流体流出口とを備える。

一態様において、提供されるのは、被検体の皮膚からの汗の分析のための表皮マイクロ流体システムであり、前記デバイスは、可撓性基板と、前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、汗流入口に流体的に接続されている少なくとも1つのリザーバチャンバーと、前記リザーバチャンバーに動作可能に接続され、前記汗を1つもしくは複数のバイオマーカーについて分析するように構成されている分析器とを備え、前記分析器は、フォトダイオード、レーザーダイオード、垂直キャビティ面発光レーザー、導波路、および光学的空洞共振器からなる群から選択される1つまたは複数の能動的コンポーネントを備え、前記マイクロ流体システムは、被検体の皮膚表面との形状適合接触を確立することができる。

一態様において、提供されるのは、被検体の皮膚からの汗の分析のための表皮マイクロ流体システムであり、前記デバイスは、可撓性基板と、前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、汗流入口に流体的に接続されている複数のリザーバチャンバーであって、前記複数のリザーバチャンバーの各々は、独立して、前記汗の取り出しを可能にするように構成されている前記リザーバチャンバーに流体的に接続されているマイクロ流体流出口を有する、複数のリザーバチャンバーと、前記リザーバチャンバーまたは比色センサに動作可能に接続される分析器であって、前記マイクロ流体システムは、被検体の皮膚表面との形状適合接触を確立することができる、分析器とを備える。

実験室ベースのバイオマーカー分析、前記分析器、および前記比色センサは、バイオマーカーの有無を決定し得る。実験室ベースのバイオマーカー分析、前記分析器、および前記比色センサは、バイオマーカーを定量化し得る。

特定の理論によって拘束されることを望むことなく、本明細書で開示されているデバイスおよび方法に関係する基礎となる原理の確信または理解の説明が本明細書にはあり得る。機械に関する説明または仮説の最終的な正しさに関係なく、本発明の一実施形態は、それでも動作可能であり、有用であり得ることが認識される。

約100%の効率で生体液を離散的量で充填され貯蔵するように最適化されているマイクロ流体ネットワークの例を提示する図である。チャネルが現在の捕集状態に関する情報を提供するように設計されていることを示す図である。デバイス内に入る汗の量および捕集率が、接着剤または皮膚/デバイス界面層内に規定のパターンを作成することによって修正されるか、または「チューニングされる」ことを可能にするエピフルイディックデバイスの一例を提示する図である。例示的なマイクロ流体デバイスを提示しており、捕集デバイスの概略図である。例示的なマイクロ流体デバイスを提示しており、デバイス捕集層(1)が各々流入口および流出口を有する3つの独立したチャンバーからなることを示す図である。例示的なマイクロ流体デバイスの画像を提示する図であり、変更なくそのままである。例示的なマイクロ流体デバイスの画像を提示しており、曲げが作用していることを示す図である。例示的なマイクロ流体デバイスの画像を提示しており、捻りが作用していることを示す図である。ピロカルピンイオン導入の後の30分間の捕集期間にわたって汗(着色)で充填されるデバイスの画像を提示する図であり、0分を示す。ピロカルピンイオン導入の後の30分間の捕集期間にわたって汗(着色)で充填されるデバイスの画像を提示する図であり、15分を示す。ピロカルピンイオン導入の後の30分間の捕集期間にわたって汗(着色)で充填されるデバイスの画像を提示する図であり、30分を示す。本明細書で説明されているようなデバイスからの汗の抽出を示す図であり、汗を充填されたデバイスを示している。本明細書で説明されているようなデバイスからの汗の抽出を示す図であり、皮膚から取り出された後に標準ピペットが汗を抽出するために十分な陰圧を供給する状態を示している。本明細書で説明されているようなデバイスからの汗の抽出を示す図であり、汗を完全に抽出するように最適化されている例示的なデバイス幾何学的形状を示している。汗の比色分析のための軟質およびマイクロ流体デバイスの一例を提示する図であり、被検体の皮膚上のデバイスを示している。汗の比色分析のための軟質およびマイクロ流体デバイスの一例を提示する図であり、曲げの機械的ディクション(mechanical diction)の下にあるデバイスを示している。汗の比色分析のための軟質およびマイクロ流体デバイスの一例を提示する図であり、比色アッセイおよび参照マーカーを有するマイクロ流体デバイスの上面図である。汗の比色分析のための軟質およびマイクロ流体デバイスの一例を提示する図であり、デバイスおよびデバイスと皮膚との界面の分解図である。 pH、クレアチニン、および尿素の色参照マーカーとともに示すデバイスの概略図であり、例示的なデバイスを示している。 pH、クレアチニン、および尿素の色参照マーカーとともに示すデバイスの概略図であり、クレアチニンを示す。各濃度(上)の色レベルおよび試料濃度によるアッセイチャンバーの発色の画像が示されている。 pH、クレアチニン、および尿素の色参照マーカーとともに示すデバイスの概略図であり、尿素を示す。各濃度(上)の色レベルおよび試料濃度によるアッセイチャンバーの発色の画像が示されている。 pH、クレアチニン、および尿素の色参照マーカーとともに示すデバイスの概略図であり、pHを示す。各濃度(上)の色レベルおよび試料濃度によるアッセイチャンバーの発色の画像が示されている。実施例4で説明されているようなデバイス性能に関するデータを提示する図であり、左腕および右腕の両方についての9日間にわたる成人ボランティア1人に対する汗捕集量を示している。実施例4で説明されているようなデバイス性能に関するデータを提示する図であり、成人ボランティア3人に対するエピフルイディックデバイスおよびMacroduct汗捕集量の比較を示している。実施例4で説明されているようなデバイス性能に関するデータを提示する図であり、成人ボランティア2人に対する捕集された汗についての塩化物濃度を示している。比色マイクロ流体デバイスの一例を提示する図であり、一体化された塩化物比色アッセイリザーバととも示す表皮捕集デバイスの画像を示している。比色マイクロ流体デバイスの一例を提示する図であり、塩化物濃度が増大する場合の色強度の比色アッセイ結果増大を示している。スマートフォンカメラを使用してキャプチャされたときに色が塩化物レベルの定量分析の結果をもたらす。実施例4で説明されているようなデバイス性能に関するデータを提示する図であり、総合解析により捕集デバイスを使用して単一の成人ボランティアに対する5日間試行で捕集された汗の量を示している。実施例4で説明されているようなデバイス性能に関するデータを提示する図であり、単一の成人ボランティアに対する4日間試行における比色アッセイ性能とChloroChek(登録商標)測定との比較を示している。本明細書で説明されているような例示的なシステムの概略図である。

一般に、本明細書で使用されている語および語句は、当技術分野で認識される意味を有し、これは当業者に知られている標準的な教科書、定期刊行物文献、および文脈を参照することで見つけられる。次の定義は、本発明の文脈における特定の使用を明確にするために用意されている。

「マイクロ流体デバイス」は、一般的にナノメートルからミリメートル、任意選択でナノメートルからミクロン、のオーダーの少なくとも1つの物理的寸法に制約されている液体を収容するシステム、デバイス、またはデバイスコンポーネントを指す。マイクロ流体デバイスは、生体液を含む、流体を捕集し、抽出し、輸送し、貯蔵し、分析し、および/または産出するための構造を含み得る。いくつかの実施形態において、液体は、1nmから5mm、100nmから1000μmまたは500nmから100μmの範囲で選択された横方向寸法(たとえば、深さ)、および1nmから1cm、10μmから2mmまたは1μmから10mmの範囲で選択された横方向寸法(たとえば、幅)などの、1nmから1cmの範囲で選択された横方向寸法に制約される。実施形態において、マイクロ流体システム、デバイス、またはデバイスコンポーネントにおける軸(たとえば、流れ)方向は、たとえば、数メートルのオーダーの長さであってよいが、より一般的には、0.1cmから100cmまたは1cmから50cmである。マイクロ流体力学は、本明細書ではマクロ流体力学から区別される。いくつかの実施形態において、本発明では、組織装着、任意選択で皮膚装着、マイクロ流体デバイスを提供する。いくつかの実施形態のマイクロ流体デバイスは、汗などの生体液の組成、たとえば、1つまたは複数のバイオマーカーの有無および/または量を、任意選択で時間の関数として決定することができる。いくつかの実施形態のマイクロ流体デバイスは、量、体積、放出速度、および/または吸収速度などの、生体液の1つまたは複数の物理的パラメータ特性を、任意選択で時間の関数として、決定することができる。

「組織装着」は、たとえば、流体的連通および/または形状適合接触をもたらす構成において、組織表面によって、直接的にもしくは間接的に、支持されることが可能な少なくとも1つの表面を有するシステム、デバイス、またはデバイスコンポーネントを指す。表皮システムおよびデバイスは、組織装着システムのサブセットであり、このシステム、デバイス、またはデバイスコンポーネントは、たとえば、流体的連通および/または形状適合接触をもたらす構成において、皮膚の表面によって、直接的にもしくは間接的に、支持されることが可能な少なくとも1つの表面を有する。本発明は、汗などの生体液の捕集、貯蔵、処置、処理、取り扱い、および/または分析を行うことができる、表皮システムなどの、組織装着デバイスを提供する。

「...内に少なくとも部分的に埋め込まれる」という表現は、マイクロ流体ネットワークまたはそのコンポーネントなどの要素が、少なくとも部分的に、および任意選択で全体として、基板などの、層および/またはデバイスコンポーネント上に、もしくはその中に一体化される構成を指す。一実施形態において、たとえば、「...内に少なくとも部分的に埋め込まれる」は、流入口、流出口、通路、チャネル、および/またはリザーバなどのマイクロ流体要素などの埋め込まれた要素が、少なくとも部分的に、それが少なくとも部分的に埋め込まれる層もしくはデバイスコンポーネント内に、またはその上に、1つまたは複数の表面、陥凹の特徴、浮き彫りの特徴、またはこれらの任意の組合せを備える構成を指す。一実施形態において、たとえば、「...内に少なくとも部分的に埋め込まれる」は、流入口、流出口、通路、チャネル、および/またはリザーバなどの埋め込まれた要素が、少なくとも部分的に、それが少なくとも部分的に埋め込まれる層もしくはデバイスコンポーネント上に、またはその中に、成形されるか、もしくはエンボス加工された特徴を備える構成を指す。一実施形態において、たとえば、「...内に少なくとも部分的に埋め込まれる」は、流入口、流出口、通路、チャネル、および/またはリザーバなどの埋め込まれた要素が、少なくとも部分的に、それが少なくとも部分的に埋め込まれる層もしくはデバイスコンポーネントの表面(たとえば、頂部、底部、壁など)を少なくとも部分的に含む特徴を備える構成を指す。一実施形態において、たとえば、「...内に少なくとも部分的に埋め込まれる」は、流入口、流出口、通路、チャネル、および/またはリザーバなどの埋め込まれた要素が、頂部層もしくは障壁層などの、別のデバイスコンポーネントによって少なくとも部分的に覆われるか、または封入される構成を指す。

「基板」は、マイクロ流体構造、光学構造、電子構造、熱的構造、またはこれらの任意の組合せを含む、構造を支持する、余裕をもって収容する、埋め込む、または他の何らかの形で一体化することができる表面を有する、層などのデバイスコンポーネントを指す。いくつかの実施形態における基板は、マイクロ流体デバイスコンポーネント、光学デバイスコンポーネント、電子デバイスコンポーネント、構造デバイスコンポーネント、またはこれらの任意の組合せなどのデバイスコンポーネントを支持する、余裕をもって収容する、埋め込む、または他の何らかの形で一体化することができる。いくつかの実施形態において、基板は、被検体の表皮または他の器官などの、被検体の組織との界面を少なくとも部分的に形成することができる。一実施形態において、本発明のデバイス、システム、および方法の基板は、生体適合性を有し、および/または生体不活性材料である。一実施形態において、本発明のデバイス、システム、および方法の基板は、ポリマーまたはエラストマー材料である。本発明の基板は、マイクロ流体機能性、機械的機能性、光学的機能性、または熱的機能性などの、基板上に配設されるか、または基板内に配設されるコンポーネントに対する機械的支持をもたらすことに加えて少なくとも1つの機能もしくは目的を有するデバイスのための基板コンポーネントを指す「機能性基板」を含む。機能性基板は、機能性基板および皮膚の機械的、熱的、化学的、および/または電気的特性が互いに20%、または15%、または10%、または5%の範囲内にあるように機能性基板と、被検体の皮膚との機械的、熱的、化学的、および/または電気的マッチングを円滑にし得る。本発明のデバイスおよびシステムは、たとえば、皮膚と、周辺環境との界面をもたらす障壁層などの、上側基板層との界面を確立することができる底部基板を有する実施形態などの、複数の基板を有し得る。たとえば、本発明は、基板および障壁層を含む多層幾何学的形状を有するデバイスおよびシステムを含む。

いくつかの実施形態において、基板は、皮膚に機械的にマッチングするなど、組織に機械的にマッチングされる。一実施形態において、機械にマッチングされた基板は、任意選択で、皮膚などの、組織の表面と流体的に連通することおよび/または形状適合接触を確立する界面をもたらすことができる。いくつかの実施形態のデバイスおよび方法は、たとえば、ポリマーおよび/またはエラストマー材料などの、可撓性および/または延伸性を示す軟質材料を含む基板を組み込む。一実施形態において、機械的にマッチングされた基板は、100MPa以下の、および任意選択でいくつかの実施形態については、10MPa以下の、任意選択でいくつかの実施形態については、1MPa以下の、弾性係数を有する。一実施形態において、機械的にマッチングされた基板は、0.5mm以下の、および任意選択でいくつかの実施形態については、1cm以下の、任意選択でいくつかの実施形態については、3mm以下の、厚さを有する。一実施形態において、機械的にマッチングされた基板は、1nNm以下の、任意選択で0.5nNm以下の曲げ剛性を有する。

「ポリマー」は、共有化学結合によって結合された繰り返し構造単位からなる高分子または高分子量で特徴付けられることの多い、1つまたは複数のモノマーの重合生成物を指す。ポリマーという用語は、ホモポリマー、つまり本質的に単一の繰り返しモノマーサブユニットからなるポリマーを含む。ポリマーという用語は、コポリマー、すなわち、ランダム、ブロック、交互、セグメント、グラフト、テーパー、および他のコポリマーなどの、2つ以上のモノマーサブユニットから本質的になるポリマーも含む。有用なポリマーは、アモルファス、半アモルファス、結晶性、もしくは部分的に結晶性の状態をとり得る有機ポリマーまたは無機ポリマーを含む。架橋モノマー鎖を有する架橋ポリマーは、いくつかの適用対象について特に有用である。開示されている方法、デバイス、およびコンポーネントにおいて使用可能なポリマーは、限定はしないが、プラスチック、エラストマー、熱可塑性エラストマー、弾塑性体、熱可塑性物質、およびアクリレートを含む。例示的なポリマーは、限定はしないが、アセタールポリマー、生分解性ポリマー、セルロースポリマー、フッ素ポリマー、ナイロン、ポリアクリロニトリルポリマー、ポリアミドイミドポリマー、ポリイミド、ポリアリレート、ポリベンゾイミダゾール、ポリブチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエチレンコポリマーおよび変性ポリエチレン、ポリケトン、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリメチルペンテン、ポリフェニレン酸化物およびポリフェニレン硫化物、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリウレタン、スチレン樹脂、スルホン系樹脂、ビニル系樹脂、ゴム(天然ゴム、スチレンブタジエン、ポリブタジエン、ネオプレン、エチレンプロピレン、ブチル、ニトリル、シリコーン)、アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、またはこれらの組合せを含む。

「エラストマー」は、実質的な永続的変形なしで延伸されるか、または変形され、元の形状に戻ることができるポリマー材料を指す。エラストマーは、一般に、実質的弾性変形を受ける。有用なエラストマーは、ポリマー、コポリマー、複合材料、またはポリマーとコポリマーとの混合物を含むものを含む。エラストマー層は、少なくとも1つの種類のエラストマーを含む層を指す。エラストマー層は、ドーパントおよび他の非エラストマー材料も含み得る。有用なエラストマーは、限定はしないが、熱可塑性エラストマー、スチレン材料、オレフィン材料、ポリオレフィン、ポリウレタン熱可塑性エラストマー、ポリアミド、合成ゴム、PDMS、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリ(スチレンブタジエンスチレン)、ポリウレタン、ポリクロロプレンおよびシリコーンを含む。例示的なエラストマーは、限定はしないが、ポリ(ジメチルシロキサン)(すなわち、PDMSおよびh-PDMS)、ポリ(メチルシロキサン)、部分的にアルキル化されたポリ(メチルシロキサン)、ポリ(アルキルメチルシロキサン)、およびポリ(フェニルメチルシロキサン)を含むポリシロキサンなどのケイ素含有ポリマー、シリコン変性エラストマー、熱可塑性エラストマー、スチレン材料、オレフィン材料、ポリオレフィン、ポリウレタン熱可塑性エラストマー、ポリアミド、合成ゴム、ポリイソブチレン、ポリ(スチレンブタジエンスチレン)、ポリウレタン、ポリクロロプレン、およびシリコーンを含む。一実施形態において、ポリマーは、エラストマーである。

「形状適合可能な」は、デバイス、材料、または基板を所望の輪郭外形、たとえば陥凹の特徴および/または浮き彫りの特徴を含む表面凹凸形状によって特徴付けられる表面との形状適合接触を可能にする輪郭外形をとらせることができる十分に低い曲げ剛性を有するデバイス、材料、または基板を指す。いくつかの実施形態において、所望の輪郭外形は、皮膚などの組織の輪郭外形である。

「形状適合接触」は、デバイスと受け入れ表面との間で確立される接触を指す。一態様において、形状適合接触は、デバイスの1つまたは複数の表面(たとえば、接触表面)を表面の全体的形状に巨視的に適応させることを伴う。別の態様において、形状適合接触は、デバイスの1つまたは複数の表面(たとえば、接触表面)を表面に微視的に適応させ、その結果実質的に空隙のない密着した接触をもたらすことを伴う。一実施形態において、形状適合接触は、密着した接触が達成されるようにデバイスの接触表面(複数可)を受け入れ表面(複数可)に適応させることを伴い、デバイスの接触表面の表面積の20%未満が、受け入れ表面と物理的に接触しないか、または任意選択で、デバイスの接触表面の10%未満が、受け入れ表面と物理的に接触しないか、または任意選択で、デバイスの接触表面の5%未満が、受け入れ表面と物理的に接触しない。いくつかの実施形態において、本発明のデバイスは、被検体の皮膚の一部などの、被検体の組織との形状適合接触を確立することができる。

「感知」は、1つまたは複数の物理的および/または化学的性質もしくは特性の存在、非存在、量、大きさ、および/または強度を検出する動作を指す。センサは、感知する能力を有するデバイスまたはそのコンポーネントを指す。感知するための有用な電子デバイスコンポーネントは、限定はしないが、電極素子、化学または生体センサ素子、pHセンサ、比色センサ、電気化学センサ、温度センサ、歪みセンサ、メカニカルセンサ、ポジションセンサ、光学センサ、および静電容量センサを含む。

「作動」は、構造、材料、またはデバイスコンポーネントに作用するか、刺激するか、制御するか、または他の何らかの形で影響を及ぼす動作を指す。アクチュエータは、作動することができるデバイスまたはそのコンポーネントを指す。作動させるための有用なデバイスコンポーネントは、限定はしないが、電極素子、電磁放射線放出素子、発光ダイオード、レーザー、磁気素子、音響素子、圧電素子、化学素子、生体素子、および加熱素子を含む。

「可撓性(を有する)」および「曲げられる」という言い回しは本明細書では同義語として使用され、材料、構造、デバイス、またはデバイスコンポーネントが材料、構造、デバイス、またはデバイスコンポーネントの破壊点を特徴付ける歪みなどの、著しい歪みを導入する変換を受けることなく湾曲したまたは曲げられた形状に変形される能力を指す。例示的な一実施形態において、可撓性材料、構造、デバイス、またはデバイスコンポーネントは、歪み感応領域において5%以上、いくつかの適用対象については、1%以上、さらに他の適用対象については、0.5%以上の歪みを導入することなく湾曲形状に変形されてよい。明細書で使用されているように、いくつかの、ただし必ずしもすべてではないが、可撓性構造も延伸可能である。様々な特性が、低弾性係数、曲げ剛性、および屈曲剛性などの材料特性、小さい平均厚さ(たとえば、10000ミクロン未満、任意選択で1000ミクロン未満、および任意選択で100ミクロン未満)などの物理寸法、ならびに薄膜およびメッシュ幾何学的形状などのデバイス幾何学的形状を含む、本発明の可撓性構造(たとえば、デバイスコンポーネント)を実現する。

「延伸性(を有する)」は、材料、構造、デバイス、またはデバイスコンポーネントが破砕を生じることなく歪ませることができる能力を指す。例示的な一実施形態において、延伸性材料、構造、デバイス、またはデバイスコンポーネントは、破砕を生じることなく0.5%超の歪み、いくつかの適用対象については破砕を生じることなく1%超の歪み、さらに他の適用対象については破砕を生じることなく3%以上の歪みを受け得る。本明細書で使用されているように、延伸性構造も可撓性であり得る。いくつかの延伸性構造(たとえば、デバイスコンポーネント)は、圧縮、伸長、および/または捻れを受けて破砕を生じることなく変形(および任意選択で動作)できるように設計される。延伸性構造は、エラストマーなどの、延伸性材料を含む構造、ならびに伸長、圧縮、および/または捻り動作を行うことができる曲げ、コイル状、または蛇行構造を含む。

本発明のデバイスは、任意選択で、1つまたは複数の障壁層を備え得る。本明細書で使用されているように、「障壁層」は、2つ以上の他のデバイスコンポーネントを空間的に分離するか、またはデバイスコンポーネントをデバイスの外部にある構造、材料、流体、または周辺環境から空間的に分離するデバイスコンポーネントを指す。一実施形態において、障壁層は、1つまたは複数のデバイスコンポーネントを封入する。一実施形態において、障壁層は、1つまたは複数のデバイスコンポーネントを水溶液、生体組織、および/または生物環境から分離する。いくつかの実施形態において、障壁層は、受動的デバイスコンポーネントである。いくつかの実施形態において、障壁層は、機能性を有するが、非能動的である、デバイスコンポーネントである。特定の一実施形態において、障壁層は、防湿層である。本明細書で使用されているような「防湿層」という用語は、体液、イオン溶液、水、または他の溶媒からの保護を他のデバイスコンポーネントに対してもたらす障壁層を指す。一実施形態において、防湿層は、たとえば、漏れ電流が封入されたデバイスコンポーネントから漏れて外部構造、材料、または流体に到達するのを防ぐことによって外部構造、材料、または流体に対する保護をもたらす。

「生体液」は、被検体の器官などの、被検体の組織から生じる、抽出される、または他の何らかの形で導出される流体を指す。生体液は、汗、涙、唾液、歯肉溝浸出液、間質液、血液、およびこれらの組合せを含む。

本明細書において使用されているように、「流体的に接続される」という言い回しは、流体(たとえば、気体もしくは液体)がコンポーネントの各々の機能性に悪影響を及ぼすことなく、一方のコンポーネントから他方のコンポーネントに輸送する、流れる、および/または拡散することができるような2つ以上のコンポーネントの構成を指す。コンポーネントは、チャネル、弁、管、封じ込め構造、リザーバ、ポンプ、またはこれらの任意の組合せなどの1つまたは複数の要素を介して流体的に連通するものとしてよい。いくつかの実施形態において、流体連通しているコンポーネントは、流体が一方のコンポーネントから別のコンポーネントへ直接的に移動することができる場合に直接的に流体連通している。いくつかの実施形態において、流体連通しているコンポーネントは、コンポーネント同士を分離する1つまたは複数の中間構造体を介して流体が一方のコンポーネントから別のコンポーネントへ間接的に移動することができる場合に間接的に流体連通している。

「電気接触」および「電子接触」という用語は、2つ以上の材料および/または構造が電子またはイオンの移動の形態などにおいて、それらの間で電荷を移動することができる能力を指す。「電気接触」および「電子接触」は、電子信号または電荷キャリアが一方のコンポーネントから他方のコンポーネントに直接的にまたは間接的に移動され得るような2つ以上のコンポーネントの構成を指してもよい。本明細書で使用されているように、「電気接触」および「電子接触」という用語は、一方向および双方向の電気通信を含む。いくつかの実施形態において、電気接触または電子接触状態にあるコンポーネントは間接的電気的に連通しており、電子信号または電荷キャリアは、一方のコンポーネントから他方のコンポーネントに間接的に、コンポーネント同士を隔てる、回路素子などの1つまたは複数の中間構造を介して、移動される。

本明細書において使用されているように、「電気負荷」という用語は、電極、センサ、または他のデバイスコンポーネントに印加される電圧もしくは電流を指すものとしてよい。「電気的応答」または「電気的パラメータ」という用語は、電気負荷への電極またはセンサの電圧、電流、またはインピーダンス応答を指すものとしてよい。たとえば、2つの電極(電気負荷)の間に電流を印加することは、2つの電極の間の電圧降下(電気的応答)を誘発し得る。電気負荷は、DC負荷またはAC負荷であってよい。

「BLE」という用語は、Bluetooth low energyシステムを指す。

「機能性修飾される」という言い回しは、化学的、物理的、電気的、光学的、または電気化学的機能性を付加するように材料または層表面を修飾することを指すものとしてよい。一実施形態において、生体分子または試薬は、電気化学センサを形成するプロセスにおいて電極上に堆積され得る。

「湿潤環境」という用語は、システムが高湿度環境内にあるか、または液体によって少なくとも部分的に囲まれていることを指すものとしてよい。「高湿度」という用語は、周囲の相対湿度が>70%であることを指す。

表皮マイクロ流体システムの一例が、図13に提示されている。1つまたは複数のリザーバチャンバー120が、可撓性基板100内に、または可撓性基板100上に設けられている。汗流入口110は、汗が被検体の体表面から可撓性基板100を通りリザーバチャンバー120内に流れ込むことを可能にする。汗流出口130は、システムから汗を取り出すことを可能にする、すなわち汗を流れ圧力から取り出すか、または本明細書で説明されているバイオマーカーについて後で試験するために汗が取り出され捕集されることのいずれかを可能にする。リザーバチャンバー120の各々に流体的に接続されている単一のネットワーク構成の汗流入口110もしくは流出口130、またはリザーバチャンバー120に各々個別に接続する、複数の汗流入口110もしくは流出口130があり得る。リザーバチャンバー120は、また、分析器140および/または比色センサ150に動作可能に接続され、バイオマーカーの原位置分析または検出を行うものとしてよい。

汗の中の注目する標的の検出および分析のための薄い軟質皮膚装着マイクロ流体ネットワーク
要約
本明細書で説明されているのは、注目する異なる標的の定量分析のために皮膚に結合しマイクロリザーバの相互接続されたセットで汗を捕集し貯蔵することを可能にする薄い軟質「皮膚様」マイクロ流体プラットフォームが導入されることである。定量分析は、外部の研究所による分析のために汗の溶離を介してデバイス上、または捕集後、のいずれかで実行され得る。このプラットフォームは、嚢胞性線維症スクリーニング、汗中の尿素含有量を測定することによる腎臓の健康監視、アルコール消費量を定量化するための臨床的および個人的アルコールスクリーニング、薬物検出/スクリーニング、ならびに連続的および定期的時間間隔の両方で監視する個人的/臨床的グルコース監視のための汗の塩化物濃度の定量的分析を通じての疾病診断を含む多数の応用に適している。各ユースケースでは、軟質可撓性機械的構造、一体化されたセンサ、および汗のマイクロ流体的取り扱いを利用して、臨床的健康監視および個人的健康監視の両方に適した正確で精度の高い定量的測定を達成する。

応用
提供されるシステムおよび方法は、たとえば、生体液中のバイオマーカーを分析することによって、疾病診断のために表皮からの汗、血液などの生体液を捕集し、回収するのに有用である。それに加えて、これらのシステムおよび方法は、状態の家庭での監視および自己定量化(たとえば、薬物スクリーニング、アルコール含有量監視)のため汗の中の有機および無機化学物質を捕集し、分析する際に有用である。

利点
提供されるのは、汗を捕集し、注目するバイオマーカーまたは他の標的を分析するための単一のデバイスである。デバイスを被検体に貼り付けるために自己接着剤が使用され、したがって、止血帯またはガーゼなどの他の皮膚被着補助具は使用されない。デバイスは、汗を貯蔵し、最終的に抽出するために形状適合性、皮膚適合性のある設計を有する。デバイスはマイクロ流体力学を利用して、少量の汗を分析することを可能にする。さらに、デバイスは、分析コンポーネント(スマートフォン、コンピュータ)とワイヤレス接続し得る。

技術の要約
説明されているのは、原位置または外部のいずれかの、研究室ベースの分析のために液体を捕集し、マイクロ流体チャネルネットワーク内に貯蔵するためのシステムおよび方法である。デバイスは、損失を防ぎながら汗捕集を促進する表皮への形状適合被着を可能にする軟質の可撓性構成をとる。デバイスは、大量または少量のいずれかの汗の捕集およびオンボードの性能分析を可能にし、それによって、カスタマイズした高速疾病および/またはスクリーニングを可能にする。

技術的説明
説明されているデバイスは、塩化物などのバイオマーカー濃度を含む注目する広範な標的のスクリーニング、嚢胞性線維症スクリーニング、アルコールまたは薬物消費(マリファナなど)の監視のための有機/無機化合物、腎不全を患っている患者の透析効果の監視(汗中の尿素含有量)、汗の中のグルコースレベルの連続(または不連続)監視、および疾病スクリーニング、監視、および診断のための他の臨床/健康関連マーカーに適している。

このデバイスの薄い構造および軟質機械的構造は、汗を捕集し、貯蔵し、分析することを目的として皮膚への形状適合被着を可能にする。全体として、デバイスの幾何学的形状は円形および矩形の両方の形態をとり得る。放射状幾何学的形状は、デバイスが皮膚から取り外された後に遠心分離を介して汗を抽出することを可能にする。矩形および放射状の幾何学的形状は、ピペット操作を介して、または専用抽出工具を介して汗を抽出することを可能にする。

有利には、デバイスは生体液抽出に合わせて最適化され得る。図1は、約100%の効率で生体液を完全に抽出できるように空気の捕捉なしで生体液を離散的量で充填され蓄積するように最適化されているマイクロ流体ネットワークを示している。臨床的に、離散的量の流体を有することは有利であるが、いくつかの実施形態において、人間の目に「リザーバ」のシミュレーションをもたらす視覚的設計を有する汗貯蔵のための連続チャネルが実装される。この設計は、ボウルに似せて設計されたパイプに類似している。ボウルは見ている人に対してより視覚的に明らかな容積をもたらすが、これは充填中に空気を捕捉するか、または抽出中に流体を捕捉することもある。対照的に、パイプ内では流体は容易に流れるが、明確な視覚的体積情報を提供しない。この設計では、明確な視覚的体積情報を提供しながら空気閉じ込めなしで流体の容易な充填または抽出を行うためのパイプをボウル形状に組み合わせることによって両方の利点を利用する。この設計の利点は図2に示されている。チャネルは、現在の捕集状態に関する情報を提供するように設計されている。流体は、特定の充填状態(標的体積の1/4まで満たされている、1/2まで満たされている)に基づき方向を変化させ、現在の捕集状態に関するリアルタイムの視覚的情報をもたらす。したがって、デバイスの全体的画像は、情報を動的に伝達する(たとえば、視覚的に)。

デバイスは、皮膚に結合させるために医療グレードのアクリル接着剤フィルムまたはカスタムスピンオン接着剤組成物のいずれかの上に支持されるポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)または他の軟質ポリマーの層から加工される。デバイス加工で使用される材料は、新生児への被着、揮発性化合物の捕集、または長期的薬物監視(デバイスによる改竄の証拠を提供するなど)などの、特定の用途に合わせて手直しされ得る。例示的な多層デバイスが、図3に提示されている。さらに、いくつかのデバイスにおいて、デバイスはエピフルイディックである(たとえば、デバイスに対して露出されている皮膚表面領域を制御する)。これは、デバイス内に入る汗の量および捕集率が、接着剤または皮膚/デバイス界面層内に規定のパターンを作成することによって修正されるか、または「チューニングされる」ことを可能にする。パターン化は、最大の接着度を持つ最適化された捕集を可能にする(図3を参照のこと)。

皮膚表面領域およびしたがってデバイスの捕集領域を制御することによって、デバイスの効率および性能が、他の捕集方法に比べて高められる(図2および図3)。同時に同じ量の汗が捕集されるが、露出される領域はかなり小さい。これは、皮膚デバイスに対する可撓性、形状適合性、および空気/水密封性を備える、デバイスの軟質機械的構造によるものである。

デバイスは、流体チャネルの異なる幅、高さ、およびレイアウトで加工されている特定の実施形態により指定された時間枠内で特定の量の汗を抽出するように設計されている。代表的なデバイスについて、第1の層は、マイクロ流体チャネルネットワークを画成する(全厚400μm)。第2の層は成形された特徴を有さず、封じ込められたチャネルを形成する第1の層へのキャップ層(厚さ200μm)として働く。層は両方とも、PDMSから加工される。第3の層は、皮膚への接着結合を形成する。流体(汗)は、PDMSキャップ層/接着剤層の除去によって形成される流入口を用いて皮膚からデバイス内に経路を辿って送られる。流入口の直径は、デバイスによって試料採取される汗孔の数を決定する。

嚢胞性線維症
汗塩化物試験は、嚢胞性線維症をスクリーニングするために使用される標準基準の診断方法であり、それによって、汗塩化物濃度の定量分析は、外部研究室方法で皮膚上の標的捕集部位から捕捉される汗のマイクロリットル単位の体積で測定される。現在の発汗試験捕集方法は、皮膚にテープで貼り付けられる吸収剤パッドまたは市販の製品のいずれかに頼るものであるが、両方の方法は、特に、新生児嚢胞性線維症スクリーニングに使用されるときに、使い勝手、試料汚染、および皮膚との封止が高くないことで制限される。皮膚に結合する薄い軟質「皮膚様」マイクロ流体プラットフォームは、マイクロリザーバの相互接続されたセットで汗を捕集し貯蔵することを可能にするので有利である。定量分析は、外部の研究所による分析のために汗の溶離を介してデバイス上、または捕集後、のいずれかで実行され得る。

発汗試験を介して捕捉された汗試料は、塩化物の濃度を決定するために電量計が使用される研究室で分析される。エピフルイディックデバイスの基礎的動作は、発汗試験における汗の捕集であるが、定量的塩化物分析も、一体化された電気センサを通じて、または比色分析を介して実行され得る。塩化物用のイオン選択電極をマイクロ流体ネットワーク内に一体化することによって、塩化物濃度の電気化学分析が、汗が溶離時にデバイスに入るとともにリアルタイムで実行され得る。近距離無線通信を使用することで、このデータ転送および感知は、ワイヤレス方式で実行され得る。さらに、濃度の連続監視を通じて、発汗速度が測定され、有効嚢胞性線維症試験に必要な最低の発汗速度に対して妥当性を確認され得る。デバイスが可撓性を有する結果として、比色分析も、市販の比色化学アッセイを使用して、別々に、または電気化学分析と同時に、のいずれかで実行され塩化物濃度を決定することができる。

薬物/アルコールスクリーニング
急性または慢性薬物スクリーニングのためのデバイスは、臨床環境において使用するために、または着用者もしくは臨床医のいずれかによる分析のための一時的な家庭での監視としてのいずれかのために加工される。デバイスは、デバイスそれ自体の中の敏感なコンポーネント(埋め込み技術品、剪断で壊れやすいデバイス構造、破損インジケータ領域)の破壊、有色色素による皮膚の染色、または測定の完全性を保護するためにデバイス上に記憶される電子記録などの手段を介して達成される家庭での監視のために着用されている場合に改竄防止を施されていなければならない。臨床には同じ要求条件が必要であるが、試験が典型的には短い(約10分)ときには長期(約24時間)安定性の必要性は減じる。スクリーニングそれ自体は、外部分析のための汗の捕集、薬物/アルコール活性の鍵となるマーカーの一体化された電子検出、鍵となるマーカーの比色分析、またはこれらの組合せのいずれかを介して達成される。個別のデバイスのバーコード設定が、法的必要条件/分析過程の管理によって必要とされる薬物スクリーニングに必要である。

個人アルコール検査用のデバイスは、他のデバイスに似た方式で加工される。個人用途用に設計されている場合、これらのデバイスはグラフィックスを組み込み、アルコール消費量を時間に関して正確に測れるように明確で単純な読み出し値を提供する。非臨床的環境で使用する場合には美観が重要なので、デバイスは可能な限り最小の専有面積をとるように設計される。感知は、比色または一体化電極アプローチのいずれかを使用して実行される。区別のキーポイントは、フォームファクタ、試料採取量、および時間的試料採取である。離散的監視も、スマートフォンと結合されたワイヤレス感知機能を介して可能である。

グルコース監視
グルコース監視用のデバイスは、他のデバイスに似た方式で加工される。臨床用途および個人用途の両方のために設計されている場合、これらのデバイスはグラフィックスを組み込み、指定された時間にわたってグルコースを正確に測れるように明確で単純な読み出し値を提供する。感知は、測定要求条件に応じて比色または一体化電極アプローチのいずれかを使用して実行される。区別のキーポイントは、フォームファクタ、試料採取量、および時間的試料採取である。離散的監視も、スマートフォンと結合されたワイヤレス感知機能を介して可能である。

多層デバイス構造
複数の積み重ねられたマイクロ流体ネットワークデバイス層が、エピフルイディック汗捕集および分析プラットフォームに多機能性を付与する。利点は、同じ表皮表面領域における汗貯蔵量の増大、デバイス上の制御機器用の独立した捕集領域、能動的コンポーネント(弁動作、電子感知)の組み込み、複数の分析チャネル(電子、比色、外部研究所)、および複数の流入口を介した捕集速度の増大を含む。複数のマイクロ流体ネットワーク層はグラフィック構造と織り合わされ、印刷画像と動的に相互作用することにより追加の機能をもたらすことができる。

レンズ
マイクロレンズ(たとえば、円筒形、半球形)をマイクロ流体チャネルネットワーク内に一体化することで、光がデバイス内を通過する有効経路長を長くするか、または注目する領域(たとえば、マイクロ流体チャネル)によって散乱されるより多くの光を集光することによって比色アッセイ実行の精度を改善することができる。それに加えて、レンズをデバイス内に一体化すると、技術により測定とリアルタイムで動的に相互作用できるようにデバイス内に技術を一体化することに対する複雑度が高まる。

能動的コンポーネント/ナノ粒子一体化
感知機能を付与するために、フォトディテクタ、レーザーダイオード、垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL)、導波路、光学的空洞共振器などの能動的コンポーネントがデバイス内に一体化されてよい。それに加えて、デバイスの表面または組成は、注目する異なる検体の存在に応答するプラズモンナノ粒子(たとえば、金ナノロッド)の一体化を通じて追加の感知機能を付与するように修正され得る。これらのコンポーネントは、説明されている感知要求条件に合わせて感度を高める。

加工技術
これらのデバイスを加工するための鋳型は、標準的なクリーンルーム処理技術を使用して、精製添加剤製造プロセスを介して、またはマイクロミリングを介して生産され得る。成形プロセスは、光硬化可能樹脂を使用したステレオリソグラフィを介して3Dプリンティングを使用して正確な(約50μmのチャネル幅)チャネルを生産するために使用される。他の光硬化可能樹脂はPDMSなどのポリマーを硬化させるのに必要な温度で反りを生じるが、光硬化可能樹脂と3Dプリンティングとを組み合わせることで、これらのデバイスを加工するために必要な温度で物理的に安定した鋳型を生産することが可能になる。アルミニウムをマイクロミリングすることによる鋳型生産も、極め細かい分解能(約1000μmのチャネル幅、>30μmの深さ)を有する高速プロトタイプ鋳型に方法を提供する。

未硬化のPDMS前駆体を含む軟質皮膚接着剤(たとえば、Dow Corning社)からなる複合材料は、流体密封シールに十分な結合強度を持つ未使用のPDMSに可逆的に結合するのに適している軟質ポリマーの層を加工するために使用される。有利には、封止された可撓性軟質エピフルイディックデバイスを形成するために熱も酸素プラズマも必要ない。さらに、結合の可逆性は、使い捨て流体ネットワークとの再利用可能なデバイス固定(たとえば、電子機器)を可能にする。異なる組成の混合物(30:1、40:1、50:1)の配合は、電子コンポーネントを結合することおよび表面処理/活性化に対してチャネルを一時的に封止することを含む様々な適用対象に適した異なる接着強度をもたらす。表面プラズマ活性または熱処理がないので、同じ表面化学作用を維持しながら高感度アッセイ(酵素)または高速プロトタイピングを統合することが可能である。

汗の中の注目する標的の検出および分析のための薄い軟質皮膚装着マイクロ流体ネットワーク:最適化および抽出
われわれは、超軟質形状適合性「皮膚様」マイクロ流体チャネルを利用してピロカルピンイオン導入を介して刺激されるエクリン汗腺からの汗を捕集する嚢胞性線維症の診断のための分析プラットフォームを実証した。図4Aに示されている代表的なデバイスは、直径34mmの全体として円形の幾何学的形状を有する。放射状構造は、刺激された領域(直径30mmのWescor(登録商標) Pilodisc(登録商標))の最大の汗捕集および複数の被検体(たとえば、乳児、成人)上の複数の身体部位(たとえば、前腕、大腿部)への被着の両方を可能にする。

軟質の医療グレードのシリコーンエラストマー(ポリジメチルシロキサン、PDMS、Dow Corning社)の3層からなるデバイスは、薄い幾何学的形状および軟質機械的構造を利用して、傷つきやすい新生児の皮膚への密接した形状適合結合を可能にする。この結合は、デバイスと、医療グレードの炎症を起こさないFDA承認の柔らかい皮膚(すなわち、新生児に安全な)接着剤(3M(登録商標)シリコーン接着剤、厚さ100μm)を介して形成される皮膚との間のゼロ圧力流体密封界面である。レーザーパターン化開口部は、汗腺圧力(約3kPa)によって押されて、汗が、70μLを超過した汗を各々貯蔵する、3つの独立したチャンバー(図4B)のうちの1つの中に入る際に通る汗収穫領域を画成する。接着剤パターンの最適化は、発汗試験中に形状適合性接着剤接触を維持しながら汗捕集(約100個の汗腺に対応する1領域当たり70mm²の露出表面領域)を最大にする。

デバイスは、軟質(約145kPa)PDMS層(厚さ400μm)内にエンボス加工されたチャネル(幅500μm、350μmの均一な深さ)の埋め込まれたマイクロ流体ネットワークからなる。キャップ層(厚さ100μm)は第1の捕集層内で封止する働きをし、そこでは、単一の連続チャネルが流入口(皮膚へ開いている)および第2の捕集層への流出口を有する捕集チャンバーを備える。この第2の層は、独立した流入口によって第1の層チャンバーに接続されている3つの二次的捕集チャンバーを形成するエンボス加工されたチャネル(幅500μm、300μmの均一な深さ)を含む。中間のキャップ層も、第2の層のマイクロ流体チャネルネットワークを封止する働きをする。第1の層のチャンバーは各々、50μLの汗を保持するが、第2の層のチャンバーは各々、追加の20μLの汗を保持する。層化された方式で製作されている(第1の層の直径は34mm、第2の層の直径は20mm)ので、デバイスの可変厚さ(縁の厚さは500μm、中心の厚さは900μm)は、PDMSの軟質材料特性と合わせて、デバイス可撓性を改善する(図5)。薄い軟質の弾性デバイス構造は、このデバイスと現在のFDA承認技術(たとえば、Macroduct(登録商標)汗捕集システム)との間の重要な区別要因をもたらし、これは特に新生児に対して、皮膚への形状適合性結合を高める。

マイクロ流体チャネル設計の最適化を行うことで、ピロカルピンイオン導入の後に最大化された汗捕集が可能になる。図7は、発汗刺激の直後、捕集までの15分間、および発汗試験終了(30分)時の一連のデバイスの光学画像を示している。第1の層上のチャネルは、汗がデバイス内に入るとすぐに汗の流れを視覚化するための青緑色素(FDA承認済み、無塩化物であることが検証されている)のリザーバを含む。デバイスが刺激領域内の3つの独立した領域から試料採取すると、その結果、汗腺密度の生物学的ばらつきによりわずかな変化が生じ得る。医療グレードの軟質皮膚接着剤を使用することで、デバイスと皮膚との間に堅牢な防水結合部を形成し、止血帯を付けることなく汗の完全で高速な捕集を促進する。これは、新生児への著しい危険性をなくすが、特に腕の直径がMacroduct(登録商標)汗捕集システムデバイスのサイズより小さいときにそうである。接着剤層が結合強度と汗捕集との間に最適なバランスをもたらし(漏れが存在しないことによって評価される)、高圧接触を行わないので、捕集デバイスは動きによって誘発される捕集失敗を被らない。

捕集デバイスの追加の設計考慮事項は、汗抽出の有効性および抽出しやすさである。汗がデバイスから完全に抽出されなければならないだけでなく、抽出機械的構造は、動作のしやすさを促進し、塩化物汚染の潜在的発生源を排除しなければならない。デバイス(図4)の中心領域内の捕集流入口(すなわち、皮膚への開口部)の配置には、除去の機械的構造(すなわち、デバイスの縁から垂直方向の持ち上げ)が図6の光学画像(30分)と図7Aの光学画像との間の位置的相違において観察されるように一時的ポンプ作用を発生してチャネルに含まれる汗をさらに遠く捕集チャンバー内に輸送するので皮膚からデバイスを取り外したときの汗の漏れを排除する。捕集デバイスから汗を抽出するために必要な唯一の追加の機器は標準ピペット(1mL、一般)である。デバイス-層流入口サイズ(直径1.2mm)は、ピペット開口部(直径1.5±0.1mm、ブランド依存)より小さく、したがってピペットがエラストマーデバイスに接触したときに、強い一時的防水気密シールが形成され、ピペットで抽出したときに陰圧がマイクロ流体チャネル内に生じる。この陰圧は、充填量に関係なく、各チャンバーから汗を完全に抽出するのに十分である。汗抽出速度は、印加される陰圧の大きさ(可変ピペッター上の設定量)およびピペッター上の引き込み速度に直線的に比例する。3つすべての捕集チャンバーから抽出された汗の組合せは、全捕集汗量を定める。

汗のクレアチニンおよび尿素の比色分析のための軟質多機能性マイクロ流体デバイス
PDMSから作られた軟質マイクロ流体デバイスは可撓性を有し、皮膚との界面を有する。本実施例はこの軟質マイクロ流体デバイスを提供する。(図8Aおよび図8B)。デバイスは、いくつかの機能を提供し、これらは1)汗の中のクレアチニン、尿素、およびpHの濃度の分析、2)デバイスが汗を連続的に捕集することを可能にする皮膚とデバイスとの間の防水シーリングを形成する接着剤層を介して瞬間的発汗速度および局所的汗損失を計算する機能である(図8C)。接着剤の下の皮膚の開放領域の下の汗腺は、1)流入口#1への約2kPaの汗の流れを発生させ、蛇行チャネルを充填し、次いで発汗速度および局所的汗損失を示し、2)流入口#2、#3、および#4は一連の毛細管バースト弁の案内で時計回りに順次、捕集チャンバーを充填し、汗の中のpH、クレアチニン、および尿素の検出のために発色する。比色分析については、各チャンバーは、汗の中の標的バイオマーカーおよびチャンバーの隣りに置かれた色参照マーカーに従って発色する化学アッセイ紙および化学アッセイを有し、光条件の影響を受けない正確な色分析のための標的バイオマーカー濃度の標準色をもたらす。デバイスの分解図は、1つのデバイスの詳細な組成を示す(図8D)。接着剤層はPDMSデバイスを皮膚上に接着し、接着剤の穴は領域からの汗がマイクロ流体チャネルに入る経路を開く。軟質リソグラフィによって形成される白色マイクロ流体PDMSチャネル層は4つのチャネル、すなわち、発汗速度および局所的汗損失を測定するための底部蛇行チャネルと、汗の中のpH、クレアチニン、および尿素の濃度を測定するための他の円形チャンバーとを有する。化学アッセイコンポーネントは、その目的のために各チャンバーおよびチャネル内に置かれる。粘着性を付与するように酸素プラズマで処理された厚さ200μmの透明な10:1 PDMSキャップ層は、閉じたチャネルを生成するためにマイクロ流体PDMSチャネル上に置かれた。キャップ層の上で、参照色マーカーを有する厚さ25μmの薄いPETフィルムは正確な色分析結果をもたらす。

デバイスの加工:加工は、シリコンウェハ鋳型を作ることから始まった。KMPR 1010(米国マサチューセッツ州所在のMicrochem社)のフォトレジストを厚さ1mmのSiウェハ上にパターン化し、深掘り反応性イオンエッチング(STS Pegasus ICP-DRIE、英国ニューポート所在のSPTS Technologies社(登録商標))を行ってマイクロ流体チャネルおよびリザーバ用の鋳型を生成した。ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA、米国マサチューセッツ州所在のMicrochem社(登録商標))の薄い層が接着防止層として鋳型上に形成された。白色シリコーン色素(Reynolds Advanced Materials社、5wt%)と混合された10:1 PDMS(Sylgard 184、米国ミシガン州所在のDow corning社(登録商標))を鋳型に注ぎ込み、200rpmの速度でスピンコーティングし、45分間、70℃の温度で焼いた。キャップ層は、200rpmの回転速度で10:1 PDMSをスピンコーティングされ、45分かけて70℃の温度で焼かれた。マイクロ流体チャネル層およびキャップ層は両方とも、アッセイを装填する直前に、接着性がよくなるように研究室のコロナ処理装置(Electro-Technic Products社)で処理された。すべての化学アッセイは、硬化されたPDMSチャネル上に配置された。厚さ25μmの透明ポリエステルフィルム(THERMLfilm SELECT(登録商標)10852、米国マサチューセッツ州所在のFLEXcon社)が色参照マーカーを有するデバイス上にある。厚さ60μmの医療グレードのアクリル酸系接着剤(1524、米国ミネソタ州所在の3M社)が、30秒間のコロナ処理でデバイスの底部に結合された。

発色および参照マーカー:バイオマーカーの検出のための比色方法は、光条件に関係なく色の正確な分析のために色参照マーカーを必要とする。図9Aは、汗からのpH、クレアチニン、および尿素を分析するための色参照マーカーの集合体を示している。色参照マーカーの準備のために、標準溶液によるインビトロ試験により参照色およびデジタル画像を生成して、画像分析から各アッセイの色値を得る。これらの値から、色参照マーカーは生成され、薄い透明フィルム上に印刷され、デバイスの上に被着される。汗の中のクレアチニンは、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、サルコシンオキシダーゼ、およびペルオキシダーゼとの酵素反応から過酸化水素(H₂O₂)を発生し、H₂O₂を使用してプローブと反応し、その結果、チャンバー内の緑色レベルを支配的に変化させる赤色を生じる(図9B)。pH試験紙において固定化されたウレアーゼは、汗の中の尿素をアンモニアに分解し、pH試験紙の色を黄色から緑色に変化させ、赤色レベルは尿素濃度とともに支配的に変化する(図9C)。ユニバーサルpH色素はpHセンサをもたらし、溶液のpHとともに支配的に変化するセンサからの赤色レベルはアッセイの色の比較パラメータを提供する(図9D)。

比色アッセイ:
1)尿素:0.01mg/mlのウレアーゼ溶液が脱イオン水中のウレアーゼ(Canavalia ensiformis、タチナタマメ、III型からのウレアーゼ、米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))で調製された。尿素アッセイ紙は、ウレアーゼ溶液2μlをpH試験紙(直径3mm、Hydrion Strips B1-11、米国ニューヨーク州所在のMicro Essential Laboratory社(登録商標))上に固定化し、15分間、乾燥機内で真空下において乾燥させることによって調製された。

2)クレアチニン:クレアチニンアッセイ溶液は、緩衝液24μl、酵素溶液、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、および酵素混合物各々8μl、ならびにプローブ2μlを完全に混合することによって生成された。クレアチニンアッセイ紙は、カクテル溶液2μlを濾紙(直径3mm)上にスポッティングし、15分間、乾燥機内で真空下において乾燥させることによって調製された(Creatinine Assay Kit、米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))。尿素に対して円形pH試験紙、クレアチニンに対して瀘紙を作るために金属パンチ(直径3mm)が使用された。

3)pH:pHカクテル溶液が、ユニバーサルpH色素(米国ニューハンプシャー州所在のFisher Scientific社(登録商標))4ml、ポリ塩化ビニル(M.W. 約233,000、米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社)274mg、o-ニトロフェニルオクチルエーテル(米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))635μl、およびアリコート508μlをテトラヒドロフラン(米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))10ml中に、均質な懸濁液が得られるまで徹底的にボルテックスすることによって実現された。その後、濾紙が10秒間、カクテル溶液中に浸され、15分間、周囲条件の下で乾燥させて、固体状態pHアッセイを実現した。最後に、ウェアラブルパッチ内に組み込むためにpHアッセイ紙の円形パッドを切り取るために金属パンチ(直径3mm)が使用された。

標準の発色および色参照マーカー調製:クレアチニン溶液は、DI水中でクレアチニンアッセイキット(米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))からクレアチニンを溶解することによって調製された。尿素(米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))で、その濃度としてDl水の標準溶液を生成した。pH緩衝液が1xPBS緩衝液(pH7.4、米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))および塩酸(37%、米国ミズーリ州所在のSigma-Aldrich社(登録商標))によって作られ、pHメーター(スイス、グライフェンゼー所在のMettler Toledo社(登録商標))でそれを測定した。クレアチニン、尿素、およびpH試験では、ピペット操作で標準溶液2μlをチャンバー内に流し込んだ。完全な発色のために、クレアチニンおよび尿素アッセイが溶液を充填されているデバイスは、15分間37℃の温度で、5分間pHで、オーブン内に置いたままであった。デジタルSLRカメラ(EOS 6D、日本、東京所在のCanon社(登録商標))で、デバイスの写真を撮った。Photoshop(米国カリフォルニア州所在のAdobe Systems社(登録商標))で、チャンバー内の色からの色抽出を行った。カラーレーザープリンタ(C454 PS、日本、東京所在のKonica Minolta社(登録商標))で、参照マーカーをPETフィルム上に解像度1200DPIで形成した。印刷された参照マーカーは再びデバイス上に置かれ、スマートフォンカメラ(Iphone 5s、米国カリフォルニア州所在のApple社(登録商標))で参照マーカーを備えるチャンバーの写真を撮った。色分析により、チャンバーからの色レベルと参照マーカーとを比較した。各チャンバーからの3個のスポットおよび参照マーカーから平均色値を得た。画像の明るさを調整することによって、印刷と比較を繰り返すことで最適な参照マーカーを得た。

汗の中の注目する標的の検出および分析のための薄い軟質皮膚装着マイクロ流体ネットワーク:最適化および抽出:デバイス性能
デバイス性能(米国特許出願第62/514,515号、整理番号NU2017-067 45-17P):研究室環境においてデバイス性能を試験するために、われわれは、Macroduct(登録商標)汗捕集システムの代わりにわれわれのデバイスを使用して少人数(N=3)の成人ボランティアについて研究を実施した。この研究では、可変水和状態での9日間にわたる捕集性能(図10A)、Macroductデバイスに対するこのデバイスの有効性の対側性研究(図10B)、およびChloroChek(登録商標)を使用して評価された捕集済み汗の塩化物値の比較(図10C)を評価した。すべての場合について、QNS事例は生じなかった。9日間にわたる量研究において、捕集デバイスは再現可能な捕集性能を実証した。

例示的なエピフルイディックデバイスは、30分間の捕集時間枠において水和状態に関係なく汗を少なくとも40μL捕集し、この研究日数の大部分において、捕集された汗は80μLを超えた。腕-腕間のばらつきは、イオン導入刺激について予想される範囲内にあった(<35%)。図10に示されているように、3人の成人ボランティアに関するMacroduct(登録商標)と捕集デバイスとの間の初期対側性研究(同じ日)は性能が同等であることを実証した。被検体1および3について観察されたばらつきは、予想される前述の範囲内にあるが、被検体2に対するデバイス捕集量は、捕集性能を高める潜在的可能性のあることを示している。

エピフルイディック捕集デバイスの性能の妥当性確認は、Macroduct(登録商標)ピロカルピン刺激および捕集デバイスを介して得られる汗の間の塩化物レベルの類似性の検証を必要とした。図10Cは、単一イオン導入刺激誘導セッション(別々の腕)からの汗試料毎の塩化物定量器(ChloroChek(登録商標))の測定(n=5回の試行)を示している。2人の検体に対する測定された値の間のばらつきがない場合、このことは、青緑色素が塩化物を含まないことと、いずれかの方法を介して捕集された汗の間に差異が(標準的な生物学的ばらつきを超えて)存在しないことの両方を示す。

追加の機能を汗捕集を超えて統合することができることは、既存の汗捕集方法に勝る、表皮マイクロ流体デバイスの重要な利点をもたらす。汗塩化物レベルの定量分析のために比色アッセイを含むようにエピフルイディック汗捕集デバイスを再構成することで、CF診断に対する医療行為発生時点管理での回答までの時間を著しく短縮するか、または初期塩化物レベルスクリーニングのための簡便法をもたらす可能性がある。図11Aは、塩化物に対する一体化された比色アッセイおよび独立した汗捕集チャンバー(70μLの容積)を特徴とするこのデバイスのバリエーションを示している。比色アッセイでは、汗の中の塩化物レベルの定量分析に過剰なクロラニル酸銀を使用する。紫色の強度(図11B)は、汗の塩化物レベルが高まるとともに増大する。アッセイリザーバをスマートフォンのカメラで撮像することは、測定された色を較正された色参照と比較することによってリザーバ色を高速に定量化するための単純な方法を提供する。

デバイスバリエーションの汗捕集再現性の小さな1人研究から、捕集された汗の量が少ないことが明らかになったが、QNSの瞬間は記録されなかった。捕集量のこのような減少は、汗塩化物レベルの独立した比色分析を行うための2つの追加の捕集点の排除を反映している(図12A)。図12Bは、4日間の試行でのChloroChekベンチマークに対するアッセイ性能を示している。比色アッセイの結果は、塩化物定量器からの測定結果と比較して、塩化物レベルの上昇を示しているが、アッセイは、成人ボランティアにおいてCFが存在していないことを正しく示している。スクリーニング方法として、有効捕集デバイスとのこの統合はオンボードの塩化物スクリーニングを行う有望な機会を提供する。

参照による組み込みおよび変更形態に関する説明
本出願全体を通してのすべての参考文献、たとえば、発行されたもしくは付与された特許または同等の文書を含む特許文書、特許出願公開、および非特許文献または他の資料は、それぞれの参照が本出願の開示と少なくとも部分的に矛盾していない範囲で、参照により個別に組み込まれているかのように、全体が参照により本明細書に組み込まれる(たとえば、部分的に矛盾している参照は、参照の部分的に矛盾する部分を除いて参照によって組み込まれる)。

本明細書において使用されている用語および表現は、制限ではなく説明の用語として使用されており、図示され、説明されている特徴またはその一部の均等物を除外するそのような用語および表現の使用に意図があるわけではなく、様々な修正形態が請求されている発明の範囲内で可能であることは認識される。したがって、本発明は、好ましい実施形態、例示的な実施形態、および任意選択の特徴によって特に開示されているが、当業者であれば最後の手段として本明細書で開示されている概念の修正および変更に訴えることもでき、またそのような修正および変更は、本発明の範囲内にあると考えられることは理解されるべきである。本明細書で提示されている特定の実施形態は、本発明の有用な実施形態の実施例であり、当業者には、本発明が本明細書で述べたデバイス、デバイスコンポーネント、方法およびステップの多数の変更形態を使用して実施され得ることは明白であろう。当業者には明らかなように、本発明の実施形態に有用な方法およびデバイスは、多数の任意選択のデバイスコンポーネント、組成、材料、組合せ、および処理要素ならびにステップを含むことができる。

本明細書で説明もしくは例示されているすべてのデバイス、システム、コンポーネントの組合せ、または方法は、断りのない限り本発明を実施するために使用され得る。

本明細書において範囲、たとえば、数の範囲、温度範囲、時間範囲、または組成もしくは濃度範囲が与えられる場合、すべての中間範囲および部分範囲、さらには与えられた範囲に含まれるすべての個別の値は、本開示に含まれることが意図されている。本明細書の説明に含まれる部分範囲または範囲もしくは部分範囲内の個別の値は、本発明の請求項から除外され得ることは理解されるであろう。

代替物の群が本明細書に開示されている場合、その群および部分群のすべての個別構成要素は、任意のデバイスコンポーネント、組合せ、材料、および/または群構成要素の組成を含めて、別々に開示されることは理解される。マーカッシュ群または他の分類が本明細書で使用されている場合、その群ならびにその群の可能なすべての組合せおよび部分組合せの個別のすべての構成要素は、本開示に個別に含まれることが意図されている。

本明細書において言及されているすべての特許および刊行物は、本発明が関係する技術分野における当業者のレベルを示す。本明細書で引用されている参考文献は、その刊行日または出願日現在における最新技術を示すために全体が参照により本明細書に組み込まれており、この情報は、必要ならば、従来技術にある特定の実施形態を除外するために、本明細書で使用され得ることが意図されている。

本明細書で使用されているような「含む、備える」(comprising)という言い回しは、「含む、有する、備える」(including)、「収納する、含む、含有する」(containing)、または「特徴付けられる」(characterized by)の同義語であり、包括的または非限定的であり、別の引用されていない要素または方法ステップを排除するものではない。本明細書で使用されているような「〜からなる」は、請求項の要素において指定されていない要素、ステップ、または原料を除外する。本明細書で使用されているような「本質的に〜からなる」は、請求項の基本的な、新規性のある特徴に実質的に影響を及ぼさない材料またはステップを除外しない。本明細書の各場合において、「含む、備える」、「本質的に〜からなる」、および「〜からなる」のいずれも、他の2つの言い回しのいずれかで置き換えることができる。本明細書で適切に実例を用いて説明されている本発明は、本明細書で特に開示されていない、1つまたは複数の要素、および/または1つまたは複数の制限が存在しない場合に実施され得る。

当業者であれば、特に例示されているもの以外の組成、材料、コンポーネント、方法、および/または処理ステップは、過度の実験に頼らずとも本発明の実施において使用され得ることを理解するであろう。そのような組成、材料、コンポーネント、方法、および/または処理ステップの当技術分野で知られているすべての機能的均等物は、本発明に含まれることが意図されている。使用されている用語および表現は、制限ではなく説明の用語として使用されており、図示され、説明されている特徴またはその一部の均等物を除外するそのような用語および表現の使用に意図があるわけではなく、様々な修正形態が請求されている発明の範囲内であることは認識される。したがって、本発明は、例示的な実施形態および任意選択の特徴によって特に開示されているが、当業者であれば最後の手段として本明細書で開示されている概念の修正および変更に訴えることもでき、またそのような修正および変更は、付属の請求項によって定められているように本発明の範囲内にあると考えられることは理解されるべきである。

本明細書および付属の請求項で使用されているように、単数形(原文において「a」、「an」、「the」の冠詞)は、文脈上明らかに他の方法を示していない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。したがって、たとえば、「層」は、当業者に知られている複数の層およびその均等物などを含む。同様に、「1つの」(英語原文中で「a」または「an」(日本語文中では使用しない場合もある)、「1つまたは複数の」、および「少なくとも1つの」という言い回しは、本明細書では交換可能に使用できる。また、「備える」、「含む」、および「有する」という言い回しは、交換可能に使用できることにも留意されたい。「請求項XX〜YYのいずれかに記載の」(XXおよびYYは請求項の番号を指す)という表現は、代替的形態における複数の従属請求項を提示することを意図されており、いくつかの実施形態において、「請求項XX〜YYのいずれか一項に記載の」という表現と交換可能である。

断りのない限り、本明細書で使用されるすべての技術および科学用語は、本発明が関係している技術分野の当業者に通常理解される意味と同じ意味を有する。本明細書で説明されているものと類似のまたは均等の任意の方法および材料は本発明を実施または試験する際にも使用され得るが、好ましい方法および材料について説明される。

100 可撓性基板
110 汗流入口
120 リザーバチャンバー
130 汗流出口
140 分析器
150 比色センサ

Claims

汗の中のバイオマーカーの検出のための方法であって、
表皮マイクロ流体デバイスを被検体の皮膚に付けるステップであって、形状適合接触が確立されそれによって前記デバイスと前記皮膚との間に流体連通をもたらし、前記デバイスは、
可撓性基板と、
前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、
前記汗流入口に流体的に接続されるリザーバチャンバーとを備える、ステップと、
前記デバイス内で前記被検体からの前記汗を捕集するステップと、
前記汗の中の1つまたは複数のバイオマーカーの量を識別するか、または定量化するステップと、
前記被検体から捕集された前記汗の量または前記汗の流量を測定するステップとを含み、
前記1つまたは複数のバイオマーカーは、i)嚢胞性線維症の監視またはスクリーニング、ii)薬物またはアルコール消費量の監視、iii)透析効果の監視、iv)グルコースレベルの監視、v)クレアチニンレベルの監視、vi)尿素レベルの監視、vii)pHの監視、またはこれらの任意の組合せを行うためのものである方法。
汗の中のバイオマーカーの検出のための方法であって、
表皮マイクロ流体デバイスを被検体の皮膚に付けるステップであって、形状適合接触が確立されそれによって前記デバイスと前記皮膚との間に流体連通をもたらし、前記デバイスは、
可撓性基板と、
前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、
前記汗流入口に流体的に接続されるリザーバチャンバーとを備える、ステップと、
前記デバイス内で前記被検体からの前記汗を捕集するステップと、
前記汗の中の1つまたは複数のバイオマーカーの前記量を、時間の関数として、識別するか、または定量化するステップと、
前記被検体から捕集された前記汗の前記量または前記汗の前記流量を測定するステップと、
前記汗の中の前記1つまたは複数のバイオマーカーに基づき前記被検体の健康状態を監視するステップとを含む方法。
汗の中のバイオマーカーの検出のための方法であって、
表皮マイクロ流体デバイスを被検体の皮膚に付けるステップであって、形状適合接触が確立されそれによって前記デバイスと前記皮膚との間に流体連通をもたらし、前記デバイスは、
可撓性基板と、
前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、
前記汗流入口に流体的に接続されている複数のリザーバチャンバーとを備える、ステップと、
前記デバイス内で前記被検体からの前記汗を捕集するステップと、
前記汗の中の少なくとも2つのバイオマーカーの前記量を識別するか、または定量化するステップであって、前記バイオマーカーの各々は、固有のリザーバチャンバー内で識別されるか、または定量化される、ステップと、
前記汗の中の少なくとも2つのバイオマーカーに基づき前記被検体の健康管理状態を監視するステップとを含む方法。
前記デバイスは、前記リザーバチャンバーと一体化されているか、または流体的に接続されている分析器をさらに備え、1つまたは複数のバイオマーカーの前記量を識別するか、または定量化する前記ステップは、前記表皮マイクロ流体デバイスを使用して原位置で実行される、請求項1または2に記載の方法。
前記デバイスは、前記リザーバチャンバーに流体的に接続されている汗流出口をさらに備え、前記汗流出口を通して前記デバイスから前記汗を取り出すステップをさらに含み、1つまたは複数のバイオマーカーの前記量を識別するか、または定量化する前記ステップは、外部実験室ベースのステップである、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
前記可撓性基材は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリウレタン、セルロース紙、セルローススポンジ、ポリウレタンスポンジ、ポリビニルアルコールスポンジ、シリコーンスポンジ、ポリスチレン、ポリイミド、SU-8、ワックス、オレフィンコポリマー、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、キトサン、およびこれらの任意の組合せからなる群から選択される物質を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
前記デバイスは、接着剤層をさらに備え、前記接着剤層は、前記汗流入口と流体的に連通する第2の補助部を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
前記接着剤層は、前記皮膚表面に可逆的に接着することができる、請求項7に記載の方法。
前記接着剤層は、医療グレードのアクリル、シリコーン、親水コロイド、またはこれらの任意の組合せを含む、請求項7に記載の方法。
前記バイオマーカーは、嚢胞性線維症に対応する、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記バイオマーカーは、塩化物である、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記バイオマーカーは、アルコールおよび/または不正薬物の有無に対応する、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
不正薬物は、マリファナ、コカイン、ヘロイン、リセルグ酸ジエチルアミド(LSD)、サイロシビン、メタンフェタミン、ケタミン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項12に記載の方法。
前記バイオマーカーは、グルコースである、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記バイオマーカーは、腎臓または透析効果に対応する、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記バイオマーカーは、クレアチニンである、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記バイオマーカーは、尿素である、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記バイオマーカーは、pHである、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体デバイスは、複数のリザーバを有し、各リザーバは、異なるバイオマーカーを識別または定量化するために使用される、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体システムは、比色センサをさらに備える、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
前記比色センサは色素であり、前記色素は前記表皮マイクロ流体デバイスによって捕集された汗の量の視覚的表現を提供する、請求項20に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体システムは、複数の比色センサをさらに備える、請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
前記比色センサは各々、汗の体積もしくは量、流量、組成、またはこれらの任意の組合せの定量化のための1つまたは複数の呈色応答試薬を含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
前記比色センサは各々、塩化物、グルコース、アルコール、不正薬物、尿素、クレアチニン、またはpHの定量化のための1つまたは複数の呈色応答試薬を含む、請求項1から23のいずれか一項に記載の方法。
前記1つまたは複数の呈色応答試薬は、1つまたは複数のバイオマーカーと反応する指示試薬である、請求項23または24に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体デバイスは、複数のリザーバチャンバーを備え、その各々は1つまたは複数の呈色応答試薬を有し、前記呈色応答試薬の各々は、前記複数のチャンバーリザーバのうちのそれぞれのリザーバ内に固定化される、請求項1から25のいずれか一項に記載の方法。
前記1つまたは複数の呈色応答試薬は、色素、CoCI₂、グルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、ヨウ化カリウム、乳酸デヒドロゲナーゼ、ジアフォラーゼ、ホルマザン色素、水銀イオンもしくは鉄イオンとの2,4,6-トリ(2-ピリジル)-s-トリアジン(TPTZ)錯体、2,2'-ビシンコニン酸、1,10-フェナントロリン、万能pH指示薬、クロラニル酸銀、およびこれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項23から26のいずれか一項に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体デバイスは、1つまたは複数の色較正マーカーを有する、請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体デバイスは、イオン選択電極または電気化学センサをさらに備える、請求項1から28のいずれか一項に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体デバイスは、温度センサをさらに備える、請求項1から29のいずれか一項に記載の方法。
前記温度センサは、前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持され、前記被検体の体温を提示する、請求項30に記載の方法。
前記表皮マイクロ流体デバイスは、ワイヤレスデバイスをさらに含む、請求項1から31のいずれか一項に記載の方法。
前記ワイヤレスデバイスは、送信機、受信機、またはその両方である、請求項32に記載の方法。
前記ワイヤレスデバイスは、近距離通信(NFC)コイルである、請求項32または33に記載の方法。
前記ワイヤレスデバイスは、ワイヤレス給電される、請求項32から34のいずれか一項に記載の方法。
少なくとも1つの発光ダイオード(LED)をさらに備える、請求項1から35のいずれか一項に記載の方法。
前記LEDは、前記汗の捕集が完了したとき、または前記表皮マイクロ流体システムが前記汗で満杯になったときに前記被検体に通知する、請求項36に記載の方法。
前記LEDは、前記バイオマーカーの定量化または識別が完了したときに前記被検体に通知する、請求項36に記載の方法。
前記被検体は、人間被検体である、請求項1から38のいずれか一項に記載の方法。
前記被検体は、診断手技を受けている人間被検体である、請求項1から39のいずれか一項に記載の方法。
前記被検体は、治療手技を受けている人間被検体である、請求項1から40のいずれか一項に記載の方法。
前記被検体は、疾病状態の存在、発症、または進行を監視している人間被検体である、請求項1から41のいずれか一項に記載の方法。
前記被検体は、フィットネス活動を受けている人間被検体である、請求項1から42のいずれか一項に記載の方法。
前記被検体の前記健康状態を監視する前記ステップは病状もしくは疾病を監視するステップ、処置の有効性を監視するステップ、治療の効果を監視するステップ、または物理的状態を監視するステップを含む、請求項2から43のいずれか一項に記載の方法。
被検体の皮膚からの汗の捕集のための表皮マイクロ流体システムであって、前記デバイスは、
可撓性基板と、
前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、
前記汗流入口に流体的に接続されている少なくとも1つのリザーバチャンバーと、
外部実験室ベースのバイオマーカー分析のために前記マイクロ流体システムから前記汗を取り出すことを可能にするように構成されている前記リザーバチャンバーに流体的に接続されているマイクロ流体流出口とを備え、
前記マイクロ流体システムは、被検体の皮膚表面との形状適合接触を確立することができる表皮マイクロ流体システム。
被検体の皮膚からの汗の分析のための表皮マイクロ流体システムであって、前記デバイスは、
可撓性基板と、
前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、
前記汗流入口に流体的に接続されている少なくとも1つのリザーバチャンバーと、
前記リザーバチャンバーに動作可能に接続され、前記汗を1つもしくは複数のバイオマーカーについて分析するように構成されている分析器であって、フォトダイオード、レーザーダイオード、垂直キャビティ面発光レーザー、導波路、および光学的空洞共振器からなる群から選択される1つまたは複数の能動的コンポーネントを備える、分析器とを具備し、
前記マイクロ流体システムは、被検体の皮膚表面との形状適合接触を確立することができる表皮マイクロ流体システム。
被検体の皮膚からの汗の分析のための表皮マイクロ流体システムであって、前記デバイスは、
可撓性基板と、
前記可撓性基板内に埋め込まれるか、または前記可撓性基板によって支持される汗流入口と、
前記汗流入口に流体的に接続されている複数のリザーバチャンバーとを備え、
前記複数のリザーバチャンバーの各々は、独立して、前記汗の取り出しを可能にするように構成されている前記リザーバチャンバーに流体的に接続されているマイクロ流体流出口を有し、分析器が前記リザーバチャンバーまたは比色センサに動作可能に接続されており、
前記マイクロ流体システムは、被検体の皮膚表面との形状適合接触を確立することができる表皮マイクロ流体システム。
前記実験室ベースのバイオマーカー分析、前記分析器、および前記比色センサは、バイオマーカーの有無を決定する、請求項46から48のいずれか一項に記載のシステム。
前記実験室ベースのバイオマーカー分析、前記分析器、および前記比色センサは、バイオマーカーを定量化する、請求項46から48のいずれか一項に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、嚢胞性線維症に対応する、請求項48または49に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、塩化物である、請求項48または49に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、アルコールおよび/または不正薬物の有無に対応する、請求項48または49に記載のシステム。
不正薬物は、マリファナ、コカイン、ヘロイン、リセルグ酸ジエチルアミド(LSD)、サイロシビン、メタンフェタミン、ケタミン、またはこれらの組合せからなる群から選択される、請求項52に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、グルコースである、請求項48または49に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、腎臓または透析効果に対応する、請求項48または49に記載のシステム。
前記バイオマーカーはクレアチニンである、請求項48または49に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、尿素である、請求項48または49に記載のシステム。
前記バイオマーカーは、pHである、請求項48または49に記載のシステム。