專利名稱：一種可植入人體的生物酶傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的可植入人體的生物酶傳感器及其制作方法，可植入人體的傳感器適用于對人體各項(xiàng)生理指標(biāo)、藥物代謝等的連續(xù)監(jiān)測，特別用于人體動(dòng)態(tài)血糖的監(jiān)測。
背景技術(shù)：
生物傳感器是利用電化學(xué)原理，把酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)作為敏感元件，將其濃度轉(zhuǎn)化為電信號來快速、準(zhǔn)確、方便測量生物物質(zhì)含量的分析系統(tǒng)，其構(gòu)成材料必須具有特定的性質(zhì)，從而在體內(nèi)發(fā)揮作用并提供適宜的信號。
植入人體的生物酶傳感器從內(nèi)到外一般由電極、生物酶層和外膜層組成。生物傳感層中的酶可以與待測物質(zhì)特異性結(jié)合，產(chǎn)生電化學(xué)信號；植入體內(nèi)的外膜層主要是保護(hù)生物酶層不會(huì)由于被體內(nèi)的蛋白、電解質(zhì)、藥物、炎癥反應(yīng)等其他潛在化合物的影響。因此， 外膜層必須有良好的生物相容性、抗蛋白吸附性和附著力。由于體內(nèi)氧含量遠(yuǎn)低于葡萄糖含量，因而對于葡萄糖氧化酶電極來說其氧的透過性要遠(yuǎn)大于葡萄糖的透過性。
目前，生物酶傳感器中的外膜層通常為硅膠、二氧化硅和聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇等，由于這些材料生物相容性不佳、成膜性能不好、與電極附著較差，在長期使用過程中會(huì)引起組織炎癥反應(yīng)，容易降解等。
WO 02/053764提到聚氨酯的生成方法，第一步是將二異氰酸酯與二氨基封端聚醚二元醇和二氨基封端聚二甲基硅氧烷反應(yīng)生成預(yù)聚物，第二步在水中擴(kuò)鏈，但由于在水中擴(kuò)鏈后生成的高分子物質(zhì)沒有活潑的官能團(tuán)，涂覆在電極上是僅以物理吸附作用于電極表面，導(dǎo)致附著力很差，不適用于體內(nèi)測試。
WO 2006/018425介紹了用于生物傳感器的兩相生物相容性半透膜，該膜包含具有水可溶脹性的聚氨酯的連續(xù)親水相，而其制備過程是通過超過20步噴涂聚合物溶液來實(shí)現(xiàn)，但這種方法太過繁雜，難以量化生產(chǎn)，且未解決附著力問題。
CN 85108692提到使用聚醚二元醇在聚氨酯材料上接枝共聚的方法，對聚氨酯材料進(jìn)行金屬活化并在合成中需要引入眾多有毒試劑，純化非常麻煩，因此該專利方法難以適用于葡萄糖傳感器上面。
US5786439介紹了一種可用于植入式傳感器涂覆的水凝膠，由二異氰酸酯和親水二醇生成硬段化合物，然后通過二胺進(jìn)行擴(kuò)鏈生成水凝膠，此水凝膠可以用來降低電極測試時(shí)的阻抗，但在長期測試中會(huì)降解。
這些文獻(xiàn)雖對外膜層做了一些摸索，但對外膜層的附著力、生物相容性、抗蛋白性能等研究不夠，尤其是在有關(guān)適用于葡萄糖傳感器工作電極的具體應(yīng)用上存在很大缺陷。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在于針對現(xiàn)有葡萄糖傳感器酶電極存在的技術(shù)問題，提出一種新的葡萄糖生物酶傳感器及其制作方法，在體內(nèi)檢測72小時(shí)內(nèi)不脫落不降解，具有良好的生物相容性和優(yōu)異的抗蛋白吸附性能。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下
第一步電極的制作是通過打磨、脫脂、活化、等離子清洗等物理化學(xué)工藝將基材表面處理干凈，然后在金屬基材或塑料基材上電鍍或?yàn)R射一層鉬黑、鉬或金；
第二步在電極表面修飾一層酶，通過高分子包埋或交聯(lián)的方法固定生物酶，以一種或幾種生物相容性高分子材料為載體，形成生物酶層，其中作為載體的高分子材料至少一種含多氨基、多羥基或多巰基，此種高分子材料包括瓊脂糖、殼聚糖、明膠、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羥基纖維素、牛血清蛋白等中的一種或多種；
第三步將過量(nNro :nNH2/0H/SH = 1. 3 1. 8)的多異氰酸酯與聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反應(yīng)，并添加少量的擴(kuò)鏈劑，生成聚氨酯預(yù)聚物，反應(yīng)時(shí)間為3-15小時(shí)，反應(yīng)溫度為30-80°C，反應(yīng)后通過液相制備色譜提純，聚氨酯預(yù)聚物與生物酶層中的高分子物質(zhì)進(jìn)行交聯(lián)固化，通過共價(jià)鍵的方式來提高外膜的附著力，確保生物傳感層在動(dòng)物體或人體長期測試中不脫落，具有良好的生物相容性和抗蛋白吸附性能。
根據(jù)上述方法制得的可植入人體的生物酶傳感器，由電極、生物酶層和外膜層組成，其特征在于所述的電極是在金屬基材或塑料基材上電鍍或?yàn)R射一層鉬黑、鉬或金所組成的材料；生物酶層以一種或幾種生物相容性高分子材料為載體，至少一種含多氨基、多羥基或多巰基，通過高分子包埋或交聯(lián)的方法固定生物酶，修飾在電極表面；外膜層是聚氨酯預(yù)聚物與生物酶層中的瓊脂糖、殼聚糖、明膠、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羥基纖維素、牛血清蛋白等一種或多種高分子物質(zhì)進(jìn)行交聯(lián)固化形成的膜。
所述的聚氨酯(PU)是由多羥基化合物先與多異氰酸酯進(jìn)行加成反應(yīng)得到預(yù)聚體，再和擴(kuò)鏈劑反應(yīng)合成的一類含有氨基甲酸酯官能團(tuán)(-NHC00-單元)的高分子材料。聚氨酯結(jié)構(gòu)由聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚硅氧烷多元醇、聚碳酸酯多元醇以及全氟聚醚多元醇等形成的軟段和由多異氰酸酯與擴(kuò)鏈劑形成的硬段二部分構(gòu)成。由于軟段和硬段之間的組成與極性不同，使其在熱力學(xué)上不相容而形成微相分離結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致微區(qū)的形成，其中軟段為連續(xù)相，賦予聚氨酯彈性，硬段聚集成微區(qū)分散在連續(xù)相中。該微相分離結(jié)構(gòu)不僅賦予了聚氨酯良好的力學(xué)性能，而且賦予了聚氨酯良好的生物相容性和抗蛋白吸附性能。
所述的聚氨酯(PU)預(yù)聚物生成過程的反應(yīng)式為
-N = C = 0+H0- — -NH-COO-
結(jié)構(gòu)式為
權(quán)利要求
1.一種可植入人體的生物酶傳感器的制作方法，該傳感器包含電極、生物酶層和外膜層，其制作包括以下步驟(1)電極的制作是通過打磨、脫脂、活化、等離子處理的物理化學(xué)工藝將基材表面處理干凈，然后在基材上電鍍或?yàn)R射鉬黑、鉬或金；(2)在電極表面通過高分子包埋或交聯(lián)的方法固定生物酶，以一種或幾種生物相容性高分子材料為載體，形成生物酶層，其中作為載體的高分子材料至少一種含多氨基、多羥基或多巰基；(3)外膜層是將過量的多異氰酸酯與聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反應(yīng)，并添加少量的擴(kuò)鏈劑，生成聚氨酯預(yù)聚物，經(jīng)液相制備色譜提純，聚氨酯預(yù)聚物與生物酶層中的多羥基、多氨基或多巰基高分子材料進(jìn)行交聯(lián)固化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可植入人體的生物酶傳感器的制作方法，其特征在于所述的至少一種含多氨基、多羥基或多巰基的高分子材料，包括瓊脂糖、殼聚糖、明膠、肝素、 葡甘聚糖、多硫代醇酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羥基纖維素、牛血清蛋白中的一種或多種，其結(jié)構(gòu)式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可植入人體的生物酶傳感器的制作方法，其特征在于所述的過量是將異氰酸酯指數(shù)設(shè)定在1. 3 1. 8，即nNro :nNH2/0H/SH = 1. 3 1. 8 ；反應(yīng)時(shí)間為3-15小時(shí)，反應(yīng)溫度為30-80°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可植入人體的生物酶傳感器的制作方法，其特征在于所述的多異氰酸酯是脂肪族或脂環(huán)族多異氰酸酯，優(yōu)選4，4: 二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、1，4-環(huán)己基多異氰酸酯、MDI改性體、異佛爾酮二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯、耐氨酸基二異氰酸酯、苯二亞甲基多異氰酸酯或其衍生物；所述的擴(kuò)鏈劑為多元醇、多元胺，優(yōu)選乙二胺、二丁胺、鄰苯二胺、對苯二胺、丙三醇或丁二醇；所述的聚氨酯預(yù)聚物由聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚硅氧烷多元醇、聚碳酸酯多元醇或全氟聚醚多元醇形成的軟段和由多異氰酸酯與多元醇或多元胺形成的硬段二部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)式為
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4或5所述的一種可植入人體的生物酶傳感器的制作方法， 其特征在于所述的交聯(lián)固化是聚氨酯預(yù)聚物通過浸涂、噴涂、淋涂或刷涂的方式修飾在生物酶層上，與生物酶層中的高分子材料反應(yīng)形成共價(jià)鍵，再通過熱固化、紫外光或輻射固化成膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可植入人體的生物酶傳感器的制作方法，其特征在于所述的金屬基材為不銹鋼針、鈦絲、銅絲或鋁絲，塑料基材為聚乙烯板、聚氯乙烯板、聚對苯二甲酸乙二酯板、聚丙烯板或聚碳酸酯板。
7.—種可植入人體的生物酶傳感器，包含電極、生物酶層和外膜層，其特征在于，電極是電鍍或?yàn)R射一層鉬黑、鉬或金的金屬基材或塑料基材；生物酶層修飾在電極表面，以一種
8. 一種提高可植入人體的生物酶傳感器外膜附著力和生物相容性的方法，包括以下步驟(1)將過量的多異氰酸酯與聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反應(yīng)，并添加少量的多元醇、多元胺，生成聚氨酯預(yù)聚物，反應(yīng)時(shí)間為3-15小時(shí)，反應(yīng)溫度為30-80°C，反應(yīng)后通過液相制備色譜提純，其中nNro :nNH2/0H/SH = 1. 3 1. 8 ；(2)在電極表面通過高分子包埋或交聯(lián)的方法固定生物酶，以一種或幾種生物相容性高分子材料為載體，形成生物酶層，其中作為載體的高分子材料至少一種含多氨基、多羥基或多巰基，此種高分子材料包括瓊脂糖、殼聚糖、明膠、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羥基纖維素、牛血清蛋白中的一種或多種；(3)聚氨酯預(yù)聚物通過浸涂、噴涂、淋涂或刷涂的方式修飾在生物酶層上，與生物酶層中的高分子材料反應(yīng)形成共價(jià)鍵，再通過熱固化、紫外光或輻射固化成膜?；驇追N生物相容性高分子材料為載體，通過高分子包埋或交聯(lián)的方法固定生物酶，其中作為載體的高分子材料至少一種含多氨基、多羥基或多巰基；外膜層是多異氰酸酯與聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反應(yīng)，并添加少量多元醇、多元胺生成的聚氨酯預(yù)聚物，與生物酶層中的高分子材料進(jìn)行交聯(lián)固化形成的覆蓋膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種可植入人體的生物酶傳感器，其特征在于所述的至少一種含多氨基、多羥基或多巰基的高分子材料，包括瓊脂糖、殼聚糖、明膠、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羥基纖維素、牛血清蛋白中的一種或多種，其結(jié)構(gòu)式為
10.一種可植入人體的生物酶傳感器的外膜，由聚氨酯預(yù)聚物與生物酶層中的高分子材料進(jìn)行交聯(lián)固化形成，其中聚氨酯預(yù)聚物是多異氰酸酯與聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反應(yīng)，并添加少量的多元醇、多元胺加聚生成，結(jié)構(gòu)式為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新的可植入人體的生物酶傳感器及其制作方法。通過打磨、脫脂、活化等物理化學(xué)工藝將基材表面處理干凈，然后在金屬基材上電鍍或?yàn)R射一層鉑黑、鉑或金。在電極表面修飾一層酶，通過高分子包埋或交聯(lián)的方法固定生物酶，以一種或幾種生物相容性高分子材料為載體，其中作為載體的高分子材料至少一種含多氨基、多羥基或多巰基。將多異氰酸酯與聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚二甲基硅氧烷反應(yīng)，并添加少量擴(kuò)鏈劑，生成聚氨酯預(yù)聚物，再與生物酶層中的高分子物質(zhì)進(jìn)行交聯(lián)固化，提高膜層的附著力，確保生物傳感層在動(dòng)物體或人體長期測試中不脫落。本發(fā)明簡便易行，所制得的生物酶傳感器具有優(yōu)異的力學(xué)彈性、生物相容性、粘結(jié)性和抗蛋白吸附性。
文檔編號A61B5/1486GK102499696SQ20111028581
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者周建華, 車宏莉 申請人:長沙三諾生物傳感技術(shù)股份有限公司