專利名稱：由含有雜環(huán)氮的聚合物組成的生物傳感器膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及分析物-遷移(flux)-限制膜。更具體地講，本發(fā)明涉及由含雜環(huán)氮聚合物組成的膜。所述的膜是在生物傳感器中的一個有用組件，特別是用于可以植入活體的生物傳感器中。
背景技術(shù)：
基于酶的生物傳感器是這樣的設(shè)備，其中基于分析物濃度的生物化學(xué)反應(yīng)信號被轉(zhuǎn)化為一個可測量的物理信號，如光信號或電信號。這類生物傳感器在臨床、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和生物工藝學(xué)應(yīng)用中被廣泛用于分析物的檢測。在人體體液的臨床分析中可測量的分析物包括例如葡萄糖、乳酸鹽、膽甾醇、膽紅素和氨基酸。檢測在生物液體——如血液——中的分析物對于許多疾病的診斷和監(jiān)測是很重要的。
人們非常感興趣的是通過電信號測定分析物的生物傳感器，諸如借助于電流(電流生物傳感器)或電荷(電量生物傳感器)的生物傳感器，因為在許多重要的生物分析物的生物化學(xué)反應(yīng)中涉及到了電子轉(zhuǎn)移。例如，葡萄糖與葡萄糖氧化酶的反應(yīng)涉及從葡萄糖到所述酶的電子轉(zhuǎn)移，生成葡糖酸內(nèi)酯和還原的酶。在電流葡萄糖生物傳感器的一個實例中，葡萄糖在體液中通過葡萄糖氧化酶-催化反應(yīng)被氧氣氧化，形成葡糖酸內(nèi)酯和過氧化氫，于是過氧化氫被電氧化，并且與體液內(nèi)葡萄糖的濃度相關(guān)聯(lián)(Thomé-Duret，V.等，Anal.Chem.，68，3822(1996)；和Van Antwerp.的US5882494)。在另一個電流葡萄糖生物傳感器的實例中，葡萄糖到葡糖酸內(nèi)酯的電解氧化由聚合的氧化還原介體調(diào)節(jié)，該介體在電子上將所述酶的反應(yīng)中心連接到電極上。參見Csregi，E.等，Anal.Chem.，66，3131(1994)；Csregi，E.等，Anal.Chem.，67，1240(1995)；Schmidtke，D.W.等，Anal.Chem.，68，2845(1996)；Schmidtke，D.W.等，Anal.Chem.，70，2149(1998)；和Schmidtke，D.W.等，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，95，294(1998)。
電流生物傳感器通常使用兩個或三個電極，包括至少一個測量或工作電極和一個參考電極。在雙電極系統(tǒng)中，參考電極也用作對電極(counter-electrode)。在三電極系統(tǒng)中，第三電極是一個對電極。所述測量或工作電極由抗蝕的碳或金屬導(dǎo)體組成，通過一個回路——諸如一個恒電位器——連接到參考電極。
一些生物傳感器被設(shè)計成植入活動物體內(nèi)的形式，僅作為例子，諸如植入哺乳動物或人體內(nèi)。在可植入電流生物傳感器中，工作電極通常由傳感層構(gòu)成，其與電極的導(dǎo)電材料直接接觸，在傳感層的頂部有一個擴(kuò)散-限制膜層。所述傳感層通常由酶、酶穩(wěn)定劑——如牛血清白蛋白(BSA)——和交聯(lián)傳感層成分的交聯(lián)劑組成?；蛘?，所述傳感層由酶、聚合的介體和交聯(lián)傳感層成分的交聯(lián)劑組成，如在上述的導(dǎo)線-酶(wired-enzyme)”生物傳感器中。
在可植入電流葡萄糖傳感器中，為了調(diào)節(jié)或限制葡萄糖向傳感層遷移，膜通常是有利的或必要的。作為說明，在無膜葡萄糖傳感器中，葡萄糖向傳感層的遷移隨著葡萄糖的濃度線性增加。當(dāng)達(dá)到在傳感層的所有葡萄糖耗盡時，測量的輸出信號與葡萄糖的遷移成線性正比，因此與葡萄糖濃度成線性正比。但是，當(dāng)在所述傳感層葡萄糖的消耗被化學(xué)動力學(xué)或電化學(xué)活性所限制時，測量的輸出信號不再由葡萄糖的遷移控制，從而不再與葡萄糖的遷移或濃度成線性正比。在這種情況下，在傳感器變得飽和前，到達(dá)傳感層的葡萄糖只有一小部分被消耗，于是測量信號停止隨著葡萄糖的濃度增強(qiáng)，或只有稍微的增加。另一方面，在裝備有擴(kuò)散-限制膜的葡萄糖傳感器中，所述膜降低了葡萄糖向傳感層的遷移，從而傳感器沒有變得飽和，因此可在更寬的葡萄糖濃度范圍內(nèi)有效地操作。
更具體地講，在這些裝備了膜的葡萄糖傳感器中，葡萄糖消耗率是由通過所述膜的葡萄糖的擴(kuò)散或遷移控制，而不是由傳感層的動力學(xué)控制。葡萄糖通過所述膜的遷移由膜對葡萄糖的滲透性——通常是恒定值——和被監(jiān)測溶液或生物液體中的葡萄糖濃度確定。當(dāng)所有到達(dá)傳感層的葡萄糖耗盡時，葡萄糖通過所述膜向傳感層的遷移隨著葡萄糖在溶液中的濃度線性變化，并決定了測量的轉(zhuǎn)換速率或信號輸出，從而其也與溶液中葡萄糖的濃度成線正比。雖然不是必要的，但是在輸出信號和溶液中葡萄糖濃度之間的線性關(guān)系對于可植入傳感器的校準(zhǔn)是理想的。
如上所述，基于過氧化氫電解氧化的可植入電流葡萄糖傳感器需要過量的氧反應(yīng)物，以保證傳感器輸出只受到被監(jiān)測的體液或組織中葡萄糖濃度的控制。即，傳感器被設(shè)計成不受通常存在于體液或組織中的氧氣的影響。在通常植入葡萄糖傳感器的體組織中，氧氣的濃度可能非常低，諸如從約0.02mM到約0.2mM，而葡萄糖的濃度可高達(dá)約30mM或以上。在沒有葡萄糖擴(kuò)散-限制膜的情況下，傳感器將在非常低的葡萄糖濃度非常迅速地變得飽和。因此，所述傳感器得益于具有足夠氧氣-可透性的膜，所述的膜限制了葡萄糖遷移到傳感層，因此減少或消除了所謂的“缺氧問題”，即，發(fā)生氧氣不足不能充分感應(yīng)的情況。
在那些如上所述使用導(dǎo)線-酶電極的可植入電流葡萄糖傳感器中，沒有缺氧的問題，因為氧氣不是必要的反應(yīng)物。仍然，這些傳感器需要葡萄糖-擴(kuò)散-限制膜，因為通常對于沒有這種膜的葡萄糖傳感器，在大約或低于10mM的葡萄糖濃度，輸出電流達(dá)到最高程度，這個濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨床上相應(yīng)葡萄糖濃度的最高值30mM。
在使用導(dǎo)線-酶電極的生物傳感器中，擴(kuò)散-限制膜也是有利的，因為所述膜顯著降低了在傳感層中化學(xué)和生物化學(xué)的反應(yīng)性，并因此降低了可能破壞酶的游離基的生成。擴(kuò)散-限制膜還可同時作為機(jī)械保護(hù)層，阻止傳感器成分從傳感器層洗出并降低與移動相關(guān)的隨機(jī)干擾。
人們已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試開發(fā)一種機(jī)械強(qiáng)度高、生物相容性并且容易制備的葡萄糖擴(kuò)散-限制膜。例如，已經(jīng)公開了一種帶有機(jī)械性孔的層壓微孔膜(Young等的US4759828)，還已知由聚氨酯形成的膜(Shaw，G.W.等，Biosensors and Bioelectronics，6，401(1991)；Bindra，D.S.等，Anal.Chem.，63，1692(1991)；Shichiri，M.等，Horm.Metab.Res.，Suppl.Ser.，20，17(1988))。按照推測，在這些各式各樣的膜中葡萄糖通過機(jī)械性孔或裂縫擴(kuò)散。此外，例如已經(jīng)描述了一種異質(zhì)膜，具有不連續(xù)的疏水性和親水性區(qū)域(Gough的US4484987)，以及具有疏水性和親水性官能度兩者的同質(zhì)膜(Allen等人的US5284140和US5322063)。但是，所有這些已知的膜難以制備，并且物理性能不足。
在US5777060(Van Antwerp)、US5786439(Van Antwerp等)和US5882494(Van Antwerp)中已經(jīng)描述了一種改進(jìn)的膜，由二異氰酸酯、二醇、二胺和硅氧烷聚合物的多元混合物形成。如其中所述，這種膜材料在燒瓶中同時聚合并交聯(lián)；得到的聚合物材料溶于強(qiáng)有機(jī)溶劑，如四氫呋喃(THF)；然后將得到的溶液施用到傳感層上形成所述的膜。令人遺憾地，非常強(qiáng)的有機(jī)溶劑，如THF，可能使傳感層中的酶變性，并且還會從溶解導(dǎo)電的墨水材料和任何可能是傳感器的一部分的塑料材料。此外，由于在反應(yīng)燒瓶中完成聚合和交聯(lián)反應(yīng)，當(dāng)將溶液用于傳感層形成所述膜時，沒有發(fā)生進(jìn)一步的產(chǎn)生結(jié)合的反應(yīng)。因此，在膜層和傳感層之間的粘附力可能不足。
在公開的國際公開號為WO 01/57241 A2的2005年7月13日 申請日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月15日
發(fā)明者毛飛, 趙炫 申請人:特拉森斯公司