CN101566615A - 基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统，它主要由光源、光谱仪、反射光纤探头、底座、智能凝胶多孔硅复合材料、有机玻璃片、计算机和蠕动泵组成；其中，有机玻璃片具有液体试样入口和液体试样出口；本发明可以实现对溶液pH、温度、离子强度、溶剂、化学与生化物质浓度等一种或多种信号的检测与分析，同时能够实现对药物的释放控制。选择性高、灵敏度高、结构简单、成本低，可以实现药物的选择性释放及实时检测。

Description

基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统

技术领域

本发明涉及智能凝胶与多孔硅复合材料的制备技术，尤其涉及一种基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统。

背景技术

多孔硅属于半导体纳米材料。该材料的制备一般是将单晶硅通过电化学刻蚀法，化学刻蚀法，反应性等离子气刻蚀法等方法获得。经过刻蚀的硅片表面呈规则性多孔结构，其孔径大小可以在制备过程中加以控制。通常电化学刻蚀法对硅片表面孔径有较好的控制能力。调节刻蚀液中氢氟酸的浓度，刻蚀介质，刻蚀电流及硅片的电阻率可以获得孔径不等的多孔硅材料，据报道，其孔径可在2-1000nm范围变化。通过掩膜设计及光刻技术，并结合化学刻蚀、电化学刻蚀，及离子气刻蚀技术则可以在硅片表面形成规则及一定形状的孔道。多孔硅的光学性质已经有大量的报道，其中多孔硅的发光特性已被用于传感器研究和应用领域。此外基于多孔硅对光高反射性能的反射干涉光谱传感器及其响应的原理也已经有报道。近年来的研究表明，多孔硅不仅是一种良好的光学和电子传感器件，同时也是一种潜在的生物医用材料，可用于组织修复，细胞培养载体，药物负载材料。英国DERA研究机构通过实验证明了多孔硅相比于本体硅材料具有更好的生物相容性。多孔硅在体内代谢的产物也已经被证明是无毒的正硅酸盐。这些基础性的研究工作开辟了多孔硅在生物医学领域的应用。然而，由于多孔硅在体内的不稳定性，将其直接应用于体内生理参数监测的埋植式生物传感器将受到限制。此外多孔硅直接用于药物载体时对药物释放的控制能力较差，其动力学过程仅受孔道内药物扩散过程控制。基于上述情况，寻找一种即能提高多孔硅在生物体内的稳定性，又能根据体内生理参数的变化有效控制多孔硅内药物释放速率的新方法非常必要。

智能凝胶是一类对外界刺激能产生敏感响应的凝胶。外界刺激可以是温度、pH值、溶剂、电解质离子浓度、光、化学与生物物质等。根据对外界刺激的响应情况，智能凝胶分为：温度响应性水凝胶、pH响应性水凝胶、光响应性水凝胶、压力响应性水凝胶、生物分子响应性水凝胶、电场响应性水凝胶等。由于智能型凝胶的独特响应性，在化学记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分子分离体系、活性酶的固定、组织工程、药物载体等方面具有很好的应用前景。20世纪80年代，日本学者Tanaka开创了智能凝胶对温度，电磁场，光，pH，溶剂，离子等环境因素响应的系统研究，此后，一些基于智能凝胶的生物医学产品也相继得到开发并实现商业化。如德国的GeSiM公司研制的智能水凝胶微流控阀门已经得到商业应用。然而单独采用智能凝胶作为生物传感材料或药物释放材料也存在诸多缺陷，如凝胶对环境物理化学参数变化作出的溶胀响应信号无法被动态检测；凝胶对被包埋药物的强吸附有可能大大降低药物的释放量等。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统，它主要由光源、光谱仪、反射光纤探头、底座、智能凝胶多孔硅复合材料、有机玻璃片、计算机和蠕动泵组成；其中，有机玻璃片具有液体试样入口和液体试样出口，多孔硅片置于有机玻璃片和底座之间，有机玻璃片和底座相连，光源、光谱仪和反射光纤探头彼此之间通过光导纤维相连，计算机与光谱仪相连，反射光纤探头置于智能凝胶多孔硅复合材料上方，蠕动泵与有机玻璃片的液体试样入口相连。

进一步地，所述智能凝胶多孔硅复合材料主要由智能凝胶单体或线性高分子在多孔硅表面通过原位聚合或交联反应覆盖在其表面上组成；其中，智能凝胶包括丙烯酰胺类凝胶，丙烯酸类凝胶，聚亚氨类凝胶，聚乳酸类凝胶，聚乙烯醇类凝胶，琼脂糖凝胶，胶原质，壳聚糖凝胶，交联角蛋白，以及上述凝胶单体的共聚，或共混高分子凝胶，也可以是上述有机高分子与无机材料的复合凝胶。

本发明的有益效果是：本发明可以实现对溶液pH、温度、离子强度、溶剂、化学与生化物质(酶、底物、抗原、DNA)浓度等一种或多种信号的检测与分析，同时能够实现对药物的释放控制。选择性高、灵敏度高、结构简单、成本低，可以实现药物的选择性释放及实时检测。所制备的材料可用于生物传感，创伤修复，药物控释，及创伤面感染程度的检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中，1、光源，2、光谱仪，3、反射光纤探头，4、液体试样入口，5、液体试样出口，6、底座，7、智能凝胶多孔硅复合材料，8、螺丝，9、有机玻璃片，10、计算机，11、蠕动泵。

具体实施方式

本发明在负载有药物分子的多孔硅表面涂敷了一层智能凝胶，不同结构的智能凝胶可以对pH值，温度，光，特定的生化分子产生体积溶胀响应，位于多孔硅孔道内的药物分子在向外扩散时受到凝胶溶胀程度的控制，因而实现物理与化学环境刺激下的药物可控释放。此外由于多孔硅及凝胶均对光有较好的反射性能，凝胶的溶胀过程产生Fabry-Perot薄膜反射干涉条纹的规律性变化。本发明利用智能凝胶/多孔硅这一特性使复合材料同时兼具药物控释与生物信号传感的功能

本发明适合于药物的释放控制及溶液pH、温度、离子强度、溶剂、化学物质(酶、葡萄糖、抗原)的在线检测。其核心是多孔硅同时作为光反射层及药物负载层，通过检测智能凝胶溶胀过程中薄膜干涉信号变化实现对环境物理、化学、及生物信号的检测，并通过凝胶溶胀响应实现对多孔硅负载药物的控制释放。

当溶液或体液流过智能凝胶多孔硅复合材料表面时，如果环境pH、温度、离子强度、溶剂、化学物质(酶、葡萄糖、抗原)发生变化时，智能凝胶层的溶胀情况也会发生改变，从而实现对药物的选择性释放和溶液pH、温度、离子强度、溶剂、化学物质(酶、葡萄糖、抗原)的在线检测。光源发出可见、红外光(300nm-1100nm)并以一定角度照射到智能凝胶多孔硅复合材料表面，智能凝胶多孔硅复合材料表面发生光的反射干涉现象，反射信号通过光电传输装置传输给光谱仪，同时光谱仪对信号进行实时采集，通过数据线与计算机相连，能准确快速直观的观测到智能凝胶层、多孔硅层及复合层的Fabry-Perot反射干涉光谱，将Fabry-Perot反射干涉光谱经过傅立叶变换后可以直接获得各层的光学厚度变化。其中智能凝胶层及复合层的光学厚度变化反映出外界环境因素刺激时凝胶溶胀程度及溶胀动力学过程，进而间接获得溶液pH，温度，离子强度，生化物质浓度等信号。多孔硅层的光学厚度变化反应出药物释放量的变化。该发明选择性好、灵敏度高、结构简单、成本低，可以同时实现药物的选择性释放及实时检测。

下面根据附图和实施例详细对本发明进行描述，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明主要由光源1、光谱仪2、反射光纤探头3、底座6、智能凝胶多孔硅复合材料7、有机玻璃片9、计算机10和蠕动泵11组成；其中，有机玻璃片9具有液体试样入口4和液体试样出口5，多孔硅片7置于有机玻璃片9和底座6之间，有机玻璃片9和底座6通过螺丝8相连，光源1、光谱仪2和反射光纤探头3彼此之间通过光导纤维相连，计算机10与光谱仪2相连，反射光纤探头3置于智能凝胶多孔硅复合材料7上方，蠕动泵11与有机玻璃片9的液体试样入口4相连。

智能凝胶多孔硅复合材料7主要由智能凝胶单体或线性高分子在多孔硅表面通过原位聚合或交联反应覆盖在其表面上组成，多孔硅的孔隙中装载药物。智能凝胶可以是天然高分子材料的交联物，或者是具有环境刺激响应的合成高分子凝胶。其中包括丙烯酰胺类凝胶，丙烯酸类凝胶，聚亚氨类凝胶，聚乳酸类凝胶，聚乙烯醇类凝胶，琼脂糖凝胶，胶原质，壳聚糖凝胶，交联角蛋白，以及上述凝胶单体的共聚，或共混高分子凝胶，也可以是上述有机高分子与无机材料的复合凝胶。要求凝胶对一种或多种外界刺激有响应(如pH、温度、离子强度、生化物质等)。

通过反射光纤探头3、光谱仪2和计算机10能准确快速直观地观测到智能凝胶多孔硅复合材料的Fabry-Perot反射干涉条纹，Fabry-Perot反射干涉条纹的变化可以反映凝胶溶胀程度的变化。光谱仪2可以为CCD光谱仪或光电二极管阵列光谱仪。

本发明包括以下实施步骤：

1.多孔硅片的制备

将P型掺硼硅片固定在电解池中，加入一定比例氢氟酸/乙醇混合的电解液，以硅片为阳极，铂电极为阴极恒电流电解，设定一定电流强度，电解一段时间，电解结束后，用乙醇多次冲洗硅片，洗掉残留在硅片上的氢氟酸，最后用氮气吹干。将硅片放在马福炉中，在600℃-800℃下快速热氧化处理15-60分钟。

2.药物的负载及智能凝胶多孔硅复合材料的形成

多孔硅的孔隙中装载某种药物，凝胶单体或线性高分子在多孔硅表面通过原位聚合或交联反应覆盖在其表面上，形成智能凝胶多孔硅复合材料。在智能凝胶内可以包埋或偶联特定生物识别配基，如酶，DNA，抗体，及其他小分子生物识别物。经过生物识别分子的修饰后，智能凝胶可对多种体内外生理参数产生响应。

3.体外药物释放生物传感信号的采集

如图一所示，将所制备的智能凝胶多孔硅复合材料夹在流通池中，或以一定方式埋植与皮下组织。当溶液通过流通池流过高反射性多孔传感材料表面，或体液直接接触智能凝胶多孔硅复合材料，该材料会发生溶胀，药物以一定的速度释放出来。光源发出可见、近红外光(300nm-1100nm)并以一定角度照射到智能凝胶多孔硅复合材料表面，智能凝胶多孔硅复合材料表面发生光的反射干涉现象输装置传输给光谱仪。

4.信号的处理与实时监测

光谱仪通过数据线与计算机相连，通过计算机能准确快速直观的观测到智能凝胶多孔硅复合材料的Fabry-Perot反射干涉条纹。计算机在设定的时间间隔定时自动地采集反射干涉光谱信号，将Fabry-Perot反射干涉条纹经过傅立叶变换，获得傅立叶变换光谱。光谱峰值位置对应智能凝胶多孔硅复合材料有效光学厚度。根据智能凝胶多孔硅复合材料有效光学厚度的变化可以反应凝胶溶胀程度的变化及药物的释放速度。

实施例1

智能环境敏感凝胶多孔硅复合材料的制备。以P型单晶硅作为阳极，在48％氢氟酸溶液和乙醇以4∶1比例混合而成的化学刻蚀液中在50mA的电流强度下进行电化学腐蚀，刻蚀时间为5min。将所制备的多孔硅进行600℃高温氧化，或用15％的双氧水进行化学氧化，以增加多孔结构的稳定性。将2∶1异丙基丙烯酰胺单体与丙烯酸单体溶解于50％的乙醇水溶液中，单体与溶剂的体积比例为3∶4，在上述每毫升单体溶液中加入10uL二甲基丙烯酸乙二酯作为交联剂，以及5％过硫酸氨溶液50微升作为引发剂，吸取混合液100uL置于表面积为1.2cm-1的多孔二氧化硅表面上，将硅片置于加热板上控制温度在60-70℃之间进行交联聚合反应，形成智能凝胶多孔硅复合材料。

实施例2

智能环境敏感凝胶多孔硅复合材料的制备。以P型单晶硅作为阳极，在48％氢氟酸溶液和乙醇以4∶1比例混合而成的化学刻蚀液中在50mA的电流强度下进行电化学腐蚀，刻蚀时间为5min。将所制备的多孔硅进行600℃高温氧化，或用15％的双氧水进行化学氧化，以增加多孔结构的稳定性。吸取5％壳聚糖醋酸溶液与5％3-缩水甘油丙氧基三甲氧基硅烷的20∶1混合液100uL，滴涂于表面积为1.2cm^-1的多孔二氧化硅表面上，室温放置24小时后即可形成壳聚糖凝胶/多孔硅复合材料。

实施例3

智能环境敏感凝胶多孔硅复合材料对pH值的响应。磷酸缓冲溶液(PBS)通过流通池流过环境敏感凝胶多孔硅复合材料表面。用反射光纤探头发出可见、近红外光并以一定角度照射到实例二制备的壳聚糖凝胶多孔硅复合材料表面，反射信号通过光电传输装置传输给光谱仪，同时光谱仪对传感检测信号进行实时采集，通过数据线将信号送入计算机，计算机快速直观地观测到光谱仪捕获的凝胶多孔硅复合材料的Fabry-Perot反射干涉条纹。用蠕动泵将pH＝7.4的PBS缓冲溶液通入流通池中直至凝胶达到溶胀平衡，此时Fabry-Perot反射光谱的傅里叶变换峰位置呈稳定状态，将pH＝6.0的缓冲溶液通入流通池后交替发生变化时，敏感凝胶多孔硅复合材料的凝胶层的溶胀程度发生变化，可以观察到复合材料的Fabry-Perot反射干涉条纹发生快速响应。凝胶响应时间小于1min，直至达到新的平衡。交替通入不同pH值溶液可得到完全可逆的响应信号。

实施例4

智能环境敏感凝胶多孔硅复合材料对葡萄糖浓度的响应。将包埋有100U葡萄糖氧化酶的pH敏感凝胶多孔硅复合材料装入流通池中。用蠕动泵通入pH值为7.4的PBS溶液，用反射光纤探头发出可见、近红外光并以一定角度照射到实例包埋有葡萄糖氧化酶的凝胶多孔硅复合材料表面，用光谱仪连续检测反射信号，监控凝胶层光学厚度随时间的变化信号，直至信号稳定。将50uL 1.0mg/mL的葡萄糖溶液滴到凝胶层表面，葡萄糖被凝胶层的葡萄糖氧化酶催化产生葡萄糖酸。随着反应的进行，硅片表面溶液的酸度增大，凝胶发生溶胀，凝胶多孔硅复合材料的Fabry-Perot反射干涉条纹发生红移。葡萄糖浓度越高，红移越明显。溶液中的葡萄糖浓度也可通过流通池方式实时监控。

实施例5

将实施案例1中所制备的多孔硅在85℃进行表面干燥后，将溶于醋酸溶液中的胰岛素溶液(1mg/mL)滴涂于多孔硅表面，放置于4℃冰箱中，让胰岛素分子渗透进入多孔硅的孔道内，用蒸馏时洗涤除去未进入孔道内的胰岛素分子，重复上述过程3次，使多孔硅对胰岛素的吸附量达到饱和。胰岛素在多孔硅层的吸附量与多孔硅的比表面积，孔隙率，表面修饰等因素有关。这些多孔硅的表面特征可以在电化学刻蚀制备过程中通过电流强度、刻蚀时间，刻蚀液成份等加以控制。用反射光纤探头照射胰岛素分子负载前后的多孔硅片，根据反射干涉光谱的极大峰位移或傅立叶变换峰的位移，以及胰岛素分子的折光指数可以估算出进入孔道中胰岛素分子的量。将100uL经过预聚合和预交联的异丙基丙烯酰胺与丙烯酸共聚物的高分子溶液及光引发剂滴涂与负载有胰岛素分子的多孔硅膜，在紫外光照射30秒后高分子凝胶进一步交联，在多孔硅表面形成均匀的凝胶膜层。通过EDC偶联试剂可以将葡萄糖氧化酶偶联与凝胶膜表面。将上述制备的药物负载多孔硅/凝胶复合膜通过皮下埋植手术植入皮下组织。此时当病人血糖浓度升高时，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖转化为葡萄糖酸的速率提高，凝胶表面pH下降，引起凝胶溶胀程度变大，加速胰岛素分子从多孔硅层的释放。进而达到胰岛素释放速率随血糖浓度变化而改变的控释状态。通过合适的光纤探头，还能获得多孔硅层胰岛素释放量的监控。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统，其特征在于，它主要由光源(1)、光谱仪(2)、反射光纤探头(3)、底座(6)、智能凝胶多孔硅复合材料(7)、有机玻璃片(9)、计算机(10)和蠕动泵(11)组成。其中，有机玻璃片(9)具有液体试样入口(4)和液体试样出口(5)，多孔硅片(7)置于有机玻璃片(9)和底座(6)之间，有机玻璃片(9)和底座(6)相连，光源(1)、光谱仪(2)和反射光纤探头(3)彼此之间通过光导纤维相连，计算机(10)与光谱仪(2)相连，反射光纤探头(3)置于智能凝胶多孔硅复合材料(7)上方，蠕动泵(11)与有机玻璃片(9)的液体试样入口(4)相连。

2、根据权利要求1所述基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统，其特征在于，所述有机玻璃片(9)和底座(6)通过螺丝(8)相连。

3、根据权利要求1所述基于智能凝胶多孔硅复合材料的生物传感及药物控释系统，其特征在于，所述智能凝胶多孔硅复合材料(7)主要由智能凝胶单体或线性高分子在多孔硅表面通过原位聚合或交联反应覆盖在其表面上组成。智能凝胶包括丙烯酰胺类凝胶，丙烯酸类凝胶，聚亚氨类凝胶，聚乳酸类凝胶，聚乙烯醇类凝胶，琼脂糖凝胶，胶原质，壳聚糖凝胶，交联角蛋白，以及上述凝胶单体的共聚，或共混高分子凝胶，也可以是上述有机高分子与无机材料的复合凝胶。

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