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CN107422016A - Pva/peg复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法 - Google Patents

Pva/peg复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法 Download PDF

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CN107422016A
CN107422016A CN201710601489.1A CN201710601489A CN107422016A CN 107422016 A CN107422016 A CN 107422016A CN 201710601489 A CN201710601489 A CN 201710601489A CN 107422016 A CN107422016 A CN 107422016A
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CN
China
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sensor
pva
preparation
outer membrane
minimally invasive
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CN201710601489.1A
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朱志刚
陈杨
解丽丽
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Shanghai Polytechnic University
Original Assignee
Shanghai Polytechnic University
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Abstract

本发明提供了PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，本发明选用螺旋型铂铱合金电极，通过涂覆Epoxy‑PU半透膜和水凝胶外膜来提高植入式传感器生物相容性和抗干扰性，重点考察PVA/PEG的不同比例对葡萄糖传感器性能的影响；此外，该传感器具有可控的灵敏度以及良好的重复性、稳定性和选择性，为未来连续血糖监测用传感器的实用化打下坚实的基础。

Description

PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖 传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，特别涉及PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法。
背景技术
糖尿病史当前威胁全球人类健康的最重要的慢性疾病之一，主要病因是负责分泌胰岛素的胰腺β细胞发生故障，导致无法严格控制血液中的葡萄糖水平。糖尿病会诱发高血压、心血管、肾衰竭、手足坏死、神经紊乱等多种病症，对人的生命健康有极大危害；根据国际糖尿病联盟(IDF)统计，预计到2030 年，全球将近有5.5亿人身患糖尿病，其中在我国，I型糖尿病患者总数在 700-1000万之间；为了维持接近正常的血糖水平(70-120mg/dL)，目前糖尿病患者广泛使用的是手持式血糖仪，每天需要数次刺破手指以获得血液样品，这种方式会给患者带来疼痛和不便，而且无法连续检测体内葡萄糖水平。
目前研究以及市场上出售的产品主要是针形葡萄糖电极，因其易于制造和适合植入的特性而受到广泛关注，如Ahyeon Koh等人设计的超微孔聚氨酯涂覆的针形植入式葡萄糖传感器，但其缺点也较明显：GOD担载量过低导致其使用寿命较短；为了解决此类问题，螺旋式葡萄糖传感器陆续被报道；例如，Yμ等人所制作的线圈式传感器，在体外恒定极化3个月后仍能发挥较好的功能，但在植入体内后便开始失去其敏感性；由于葡萄糖传感器植入损伤而引发的生物污染和排斥反应最终会导致传感器失效，传感器在植入后逐渐丧失功能，主要是因为植入后创口周围组织所引起身体异物反应(FBR)，包括纤维包膜和炎症反应；为了提高植入式葡萄糖传感器的寿命，具有生物相容性涂层的材料，如：基于二氧化硅的复合材料、溶胶-凝胶法涂层、类金刚石碳薄膜、纳米多孔阳极铝膜等被作为涂层研究，所有研究表明这些材料都有作为传感器外膜的潜力而葡萄糖传感器的外部涂层必须在生物体中稳定存在以保证葡萄糖在传感器里的运输，减少蛋白质和其他干扰物的沉积并尽量减少纤维包膜。一些新的材料陆续被尝试用来尽量减少这些影响，其中包括水凝胶、胶原或者是聚乳酸作为保护涂层，使用皮质类固醇抑制免疫反应；而在众多材料中，水凝胶是一种类似于生命组织的材料，其表面不易粘附蛋白质和细胞，在与人体血液、细胞及组织接触时，能表现出良好的生物相容性，其中三维交联聚合网络结构的水凝胶可满足以上要求并在水中溶胀而不溶解；通过这些方法能大大提高传感器在人体内的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)螺旋电极的制备；
取长4-7cm的医用级铂铱丝，剥离去除末端1-2cm的特氟隆涂层，在超纯水中超声处理5-10min；用无水乙醇擦拭的镊子将上述铂铱丝沿着皮下注射针头紧密盘旋缠绕5圈-8圈，获得Pt-Ir线圈；
(2)将一小股多孔纤维材料嵌入制备好的上述螺旋线圈内，以提高GOD 担载量；
(3)GOD溶液的制备；
将0.001-0.5g牛血清蛋白和0.001-0.1g葡萄糖氧化酶溶于100-500μL 去离子水中，摇床搅拌均匀，滴入1-10μL的戊二醛，继续搅拌；
(4)取2-15μL搅拌后的GOD溶液滴涂到电极表面，室温自然干燥后，再次取2-15μL搅拌后的GOD溶液滴涂到电极表面，室温环境下干燥至少1h；
(5)将0.01-1g聚氨酯、0.001-0.5g的环氧胶粘剂A以及0.001-0.5g 的环氧胶粘剂B溶于1-10mL四氢呋喃和1-5μL的十二烷基聚四氧乙烯醚中，在摇床上使其混合均匀；
(6)取1-10μLEpoxy-PU溶液滴涂到酶电极上，将涂覆Epoxy-PU的酶电极放置在室温下干燥30min；
(7)将0.05-1g聚氨酯、0.01-0.5g的环氧胶粘剂A以及0.01-0.5g的环氧胶粘剂B溶于1-10mL四氢呋喃中,在摇床上使其混合均匀；
(8)取1-10μL上述配置溶液滴涂到酶电极两端，将涂覆Epoxy-PU的酶电极放置在室温下干燥10-60min，然后放置在10-100℃恒温干燥箱中固化 5-30min；
(9)将2-15g的聚乙二醇和2-15g的聚乙烯醇溶于100-500mL的去离子水中，控温50-200℃加热搅拌2-5h；
(10)待水凝胶溶液室温冷却后，采用医用注射器将水凝胶溶液吸入，使针头内腔充满水凝胶，并将上述螺旋电极塞入填满水凝胶针头的内腔，然后放入-4-20℃的冰箱内冷冻5-30h；
(11)将电极取出并置于室温下解冻1个小时即可测试。
在本发明的一个实施例中，所述聚乙二醇选自聚乙二醇(1000)、聚乙二醇(6000)中的一种或几种。
在本发明的一个实施例中，步骤(9)中聚乙烯醇和聚乙二醇的质量比为4:1、2:1或5:1。
在本发明的一个实施例中，步骤(9)中的控温为150℃或200℃。
在本发明的一个实施例中，步骤(10)中的冷冻时间为12或24小时。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用简单的加热搅拌得到了PVA/PEG复合水凝胶，将该材料涂覆到电极表面，制备出一种葡萄糖传感器；其中PVA(聚乙烯醇)是一种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物，具有良好的成膜性和抗拉强度，耐磨、绝缘性好； PEG(聚乙二醇)水溶性好、无毒、生物相容性好；将聚乙二醇(PEG)接枝到聚乙烯醇(PVA)上，制备综合性能性能较好的水凝胶；传感器的灵敏度可以控制在10nA/mM；此外，涂覆最佳复合水凝胶的电极具有良好的重复性和长期稳定性，表明所制备的传感器满足长期植入的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制得的基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器结构示意图；
图2为实施例1制得的PVA/PEG复合水凝胶的制备扫描电镜(SEM)照片；
图3为实施例1制得的PVA/PEG复合水凝胶包覆水前后螺旋电极的计时安培电流响应曲线图；
图4为实施例2制得的PVA/PEG复合水凝胶包覆水前后螺旋电极的计时安培电流响应曲线图；
图5为实施例1制得的PVA/PEG复合水凝胶包覆水后螺旋电极的电极的抗干扰测试图；
图6为实施例1制得的PVA/PEG复合水凝胶包覆水后螺旋电极的长期稳定性；
图7为基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器包覆凝胶后测试图；
图8为包覆水凝胶的传感器的抗干扰测试图；
图9为包覆水凝胶的传感器的长期稳定性测试图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1：基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，包括如下步骤
(1)取长约5cm的医用级铂铱丝，剥离去除末端0.5cm的特氟隆涂层，在超纯水中超声处理5min；用无水乙醇擦拭的镊子将上述铂铱丝沿着皮下注射针头(30gauge)紧密盘旋缠绕8圈，获得Pt-Ir线圈；
(2)将一小股多孔纤维材料嵌入上述制备好的螺旋线圈内；
(3)将0.012g牛血清蛋白和0.0025g葡萄糖氧化酶溶于300μL去离子水中，摇床搅拌均匀，滴入4.8μL的戊二醛，继续搅拌；
(4)取8μL搅拌后的GOD溶液滴涂到电极表面，室温自然干燥后，再次取8μL搅拌后的GOD溶液滴涂到电极表面，室温环境下干燥1h；
(5)将0.0267g聚氨酯和0.0089g的环氧胶粘剂A和0.0089g的环氧胶粘剂B溶于4mL四氢呋喃和1.15μL的十二烷基聚四氧乙烯醚中，在摇床上使其混合均匀；
(6)将0.0267g聚氨酯、0.0089g的环氧胶粘剂A以及0.0089g的环氧胶粘剂B溶于4mL四氢呋喃和1.15μL的十二烷基聚四氧乙烯醚中，在摇床上使其混合均匀；
(7)将0.092g聚氨酯和0.046g的环氧胶粘剂A和0.0465g的环氧胶粘剂B溶于4mL四氢呋喃中,在摇床上使其混合均匀；
(8)取0.5μL上述配置溶液滴涂到酶电极两端，将涂覆Epoxy-PU的酶电极放置在室温下干燥30min，然后放置在80℃恒温干燥箱中固化20min；
(9)将3g的聚乙二醇(PEG1000)和12g的聚乙烯醇溶于100mL的去离子水中；
(10)将该混合溶液在150℃的加热搅拌3h；
(11)待溶液室温冷却后，采用医用注射器(针头(15G))将水凝胶溶液吸入，使针头内腔充满水凝胶并将螺旋电极塞入填满水凝胶针头的内腔然后放入(-20℃)冰箱冷冻12h；
(12)将电极取出并置于室温下解冻一小时，基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形葡萄糖传感器其结构示意图，见图1。
实施例2，PVA/PEG复合水凝胶的制备：
在实施例1的步骤(9)中，质量比为聚乙烯醇：聚乙二醇＝4:1，可改为聚乙烯醇：聚乙二醇＝2:1，其他步骤和条件都与实施例1相同，具体条件在发明内容限定的范围内作相应的变动和调整，可以得到复合水凝胶，复合水凝胶的制备扫描电镜(SEM)照片，见图2；未包覆水凝胶的传感器和包覆聚乙烯醇 /聚乙二醇水凝胶的传感器对不同葡萄糖浓度的对比图，见图3,4。
实施例3，PVA/PEG复合水凝胶的制备；
在实施例1的步骤(9)中，质量比为聚乙烯醇：聚乙二醇＝4:1，可改为聚乙烯醇：聚乙二醇＝5:1，其他步骤和条件都与实施例1相同，具体条件在发明内容限定的范围内作相应的变动和调整，可以得到复合水凝胶。未包覆水凝胶的传感器和包覆聚乙烯醇/聚乙二醇水凝胶的传感器对不同葡萄糖浓度的对比图，见图5。
实施例4，PVA/PEG复合水凝胶的制备：
在实施例1的步骤(10)中，150℃的加热温度可由200℃的加热温度替换，其他步骤和条件都与实施例1相同，具体条件在发明内容限定的范围内作相应的变动和调整，可以得到复合水凝胶。
实施例5，PVA/PEG复合水凝胶的制备：
在实施例1的步骤(9)中，聚乙二醇(PEG 1000)可由聚乙二醇(PEG 6000) 替换，其他步骤和条件都与实施例1相同，具体条件在发明内容限定的范围内作相应的变动和调整，可以得到复合水凝胶。包覆聚乙烯醇/聚乙二醇(PEG 1000) 水凝胶的传感器和包覆聚乙烯醇/聚乙二醇(PEG 6000)水凝胶的传感器对不同葡萄糖浓度的对比图，见图6。
实施例6，基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备：
在实施例1的步骤(11)中，12h的冷冻时间可由24h的冷冻时间代替，其他步骤和条件都与实施例1相同，具体条件在发明内容限定的范围内作相应的变动和调整，可以得到基于PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器，包覆凝胶后测试图，见图7。
实施例7：未包覆水凝胶的传感器和包覆水凝胶的传感器对不同葡萄糖浓度的检测：
采用TBR4100测试系统对不同葡萄糖浓度进行检测，在自制的聚四氟乙烯电化学反应池中，以PBS缓冲液为支持电解质，加入适量葡萄糖溶液，采用计时电流法对传感器进行测试，其测试图见图3，图4，图5。
实施例8：包覆水凝胶的传感器的抗干扰测试：
采用TBR4100测试系统对不同葡萄糖浓度进行检测，在自制的聚四氟乙烯电化学反应池中，以PBS缓冲液为支持电解质，传感器的工作电位为0.7V，将抗干扰实验设置为分别注入5mM葡萄糖，0.5mMAA，0.5mMMA，0.5mMDA以及0.5mM 果糖(Frμctose)，分别检测电极上述接触物质后的电流变化，结果表明，表明包裹了水凝胶的传感器对葡萄的检测具有较好的抗干扰性性，其测试图，见图 8。
实施例9：包覆水凝胶的传感器的长期稳定性测试：
采用TBR4100测试系统对不同葡萄糖浓度进行检测，在自制的聚四氟乙烯电化学反应池中，以PBS缓冲液为支持电解质，传感器的工作电位为0.7V；在经过31天后，响应电流仍可达到初始信号的90％以上；表明包覆的水凝胶对传感器的性能影响较小，传感器的重复性较好，可满足长期植入的要求，其测试图，见图9。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)螺旋电极的制备；
取长4-7cm的医用级铂铱丝，剥离去除末端1-2cm的特氟隆涂层，在超纯水中超声处理5-10min；用无水乙醇擦拭的镊子将上述铂铱丝沿着皮下注射针头紧密盘旋缠绕5圈-8圈，获得Pt-Ir线圈；
(2)将一小股多孔纤维材料嵌入制备好的上述螺旋线圈内，以提高GOD担载量；
(3)GOD溶液的制备；
将0.001-0.5g牛血清蛋白和0.001-0.1g葡萄糖氧化酶溶于100-500μL去离子水中，摇床搅拌均匀，滴入1-10μL的戊二醛，继续搅拌；
(4)取2-15μL搅拌后的GOD溶液滴涂到电极表面，室温自然干燥后，再次取2-15μL搅拌后的GOD溶液滴涂到电极表面，室温环境下干燥至少1h；
(5)将0.01-1g聚氨酯、0.001-0.5g的环氧胶粘剂A以及0.001-0.5g的环氧胶粘剂B溶于1-10mL四氢呋喃和1-5μL的十二烷基聚四氧乙烯醚中，在摇床上使其混合均匀；
(6)取1-10μLEpoxy-PU溶液滴涂到酶电极上，将涂覆Epoxy-PU的酶电极放置在室温下干燥30min；
(7)将0.05-1g聚氨酯、0.01-0.5g的环氧胶粘剂A以及0.01-0.5g的环氧胶粘剂B溶于1-10mL四氢呋喃中,在摇床上使其混合均匀；
(8)取1-10μL上述配置溶液滴涂到酶电极两端，将涂覆Epoxy-PU的酶电极放置在室温下干燥10-60min，然后放置在10-100℃恒温干燥箱中固化5-30min；
(9)将2-15g的聚乙二醇和2-15g的聚乙烯醇溶于100-500mL的去离子水中，控温50-200℃加热搅拌2-5h；
(10)待水凝胶溶液室温冷却后，采用医用注射器将水凝胶溶液吸入，使针头内腔充满水凝胶，并将上述螺旋电极塞入填满水凝胶针头的内腔，然后放入-4-20℃的冰箱内冷冻5-30h；
(11)将电极取出并置于室温下解冻1个小时即可测试。
2.根据权利要求1所述的PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇选自聚乙二醇(1000)、聚乙二醇(6000)中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(9)中聚乙烯醇和聚乙二醇的质量比为4:1、2:1或5:1。
4.根据权利要求1所述的PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(9)中的控温为150℃或200℃。
5.根据权利要求1所述的PVA/PEG复合水凝胶外膜结构的螺旋形可植入式微创葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(10)中的冷冻时间为12或24小时。
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