CN109115754A - 光子晶体水凝胶泪糖传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械领域，涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器；该传感器由聚苯乙烯微球(PS)1，聚乙烯醇水凝胶(PVA)2，4‑羟基苯硼酸(4‑BBA)3，硬性角膜接触镜4制成。本发明的泪糖传感器可用于直接佩戴，当葡萄糖分子与4‑BBA的苯硼酸基团结合后，使PVA发生皱缩和溶胀，带动埋植在PVA凝胶内的PS微球之间的光子带隙发生改变，使相应的衍射光波长发生改变，肉眼可见其颜色发生改变。该传感器用于泪糖的检测，具有安全、有效、无创、重复性好、便携、直观的优点，检测所得数据在全身葡萄糖水平的无创实时监测提供科学客观的依据。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器；该传感器可用于泪糖的检测，且具有安全、有效、无创、重复性好、便携、直观的优点，检测所得数据能为糖尿病患者全身葡萄糖水平无创实时监测提供科学客观的依据。
背景技术
资料显示，近年来，糖尿病患病率呈逐年上升之势，截至2016年1月，全球范围内已有三亿五千万糖尿病患者，其主要表现为机体葡萄糖水平的异常波动，血糖控制不良会加速病程进展，并导致一系列并发症，严重者可威胁生命。目前临床上大多采用末端指尖采血的方式评估糖尿病患者的血糖控制水平，虽已具有较好的时效性，但仍是一种有创而间断的方式。近年来诸多学者致力于研究葡萄糖的实时、无创监测，泪液、尿液、汗液作为体表可以获取的体液成分备受关注，而其中，泪液以其良好的稳定性及易获取性成为当下研究热点。
有研究显示，光子晶体做为一种新型拓扑结构材料，在血糖检测领域体现出良好的可能性，然而实践中仍面临低敏感度和较长的反应时间阈等问题。目前，国际上尚无公认测量泪糖的方法，有国外学者利用化学聚合等方式构建泪糖传感器，但该测量仪器构造复杂，涉及多种化学反应，生物安全性受到质疑，且灵敏度低，故无法广泛应用于临床。
因此，当前迫切需要新的血糖检测器械问世，基于现有技术的现状，本申请的发明人拟提供涉一种新的泪糖检测传感器，具体涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器；该传感器可用于泪糖检测，检测所得数据能为全身葡萄糖水平尤其是血糖的监测提供科学客观的依据。
与本发明有关的参考文献有：
[1].Chu M X,K Miyajima,D Takahashi,et al.Soft contact lens biosensorfor in situ monitoring of tear glucose as non-invasive blood sugar assessment[J].Talanta.2011,83(3):960-5.
[2].Mitsubayashi K,Y Wakabayashi,S Tanimoto,et al.Optical-transparentand flexible glucose sensor with ITO electrode[J].Biosens Bioelectron.2003,19(1):67-71.
[3].Chu M,H Kudo,T Shirai,et al.A soft and flexible biosensor using aphospholipid polymer for continuous glucose monitoring[J].BiomedMicrodevices.2009,11(4):837-42.
[4].Iguchi S,H Kudo,T Saito,et al.A flexible and wearable biosensorfor tear glucose measurement[J].Biomed Microdevices.2007,9(4):603-9.。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术存在的缺陷，提供一种泪糖检测的传感器，尤其涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器，该传感器具有安全、有效、易携带、易辨识的优点，可用于泪糖检测。
本发明的光子晶体水凝胶泪糖传感器为一种利用光子晶体光衍射特性用其颜色改变来辨识泪糖改变的仪器，其特征在于，由聚苯乙烯微球(PS)1，聚乙烯醇水凝胶(PVA)2，4-羟基苯硼酸(4-BBA)3，硬性角膜接触镜4组成。
本发明中，聚苯乙烯微球1，单分散的聚苯乙烯微球用乳液聚合方式制备，制备直径控制在200nm水平，具备良好的均一性。
本发明中，聚乙烯醇水凝胶2，为聚乙烯醇固体溶于去离子水所得，具备凝胶特性，聚苯乙烯微球可在其中均匀分布，并具备伸缩特性，聚乙烯醇可通过自身空间结构的伸缩改变聚苯乙烯微球之间的粒子间隙。
本发明中，4-羟基苯硼酸3，其可与葡萄糖分子发生反应，为本葡萄糖传感器的启动点，首先，苯硼酸在碱性溶液中发生羟基化，OH进攻B原子，此时硼酸发生构型转变生成四面体结构的苯硼酸阴离子；其次，四面体的苯硼酸阴离子与糖类分子结合生成五元环酯。所生成的环状酯在酸性溶液中极易水解，反应恢复到苯硼酸化合物和糖类分子，因此，整个传感过程的反应是相互可逆的。
本发明中，硬性角膜接触镜4，为PMMA制备成，其基本参数为直径11.0，光度0.0，基弧7.3，该参数可根据患者的具体情况而量身定做。
本发明中，上述的1，2，3，均以4为依托，已经证明角膜接触镜对人角膜具有良好的生物相容性，借助这一特性，泪糖传感器佩戴舒适度可。
本发明中，泪糖传感器的制备方法可表述为：
通过垂直沉降法将PS微球自组装在玻璃基片和角膜接触镜表面，将硬性角膜接触镜用去离子水超声清洗干净，吹干，浸泡到H2O2 5wt％溶液12h，进行亲水化处理；盖玻片用浓H2SO4-H2O2(7:3，V/V)溶液中6h，并分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15min，并吹干待用；将角膜接触镜固定在盖玻片表面，并垂直贴于玻璃槽内，加入0.3％(m/m)PS微球悬浮液。在60℃的恒温箱内控制溶液匀速挥发，小球通过表面张力慢慢自组装与角膜接触镜表面；称取一定量聚乙烯醇(PVA)固体，加入一定量二甲基亚砜(DMSO)，在N2氛围下升温至120℃，恒温搅拌2h，将0.4g 4-醛基苯硼酸(4-BBA)加入上述PVA溶液内，滴定HCl，反应数小时，冷却降温，并配制成10％4-BBA-PVA(w/w)的均匀溶液；将上述制备的PS微球自组装角膜接触镜表面滴涂改性的PVA溶液，并放置5h，将其放入低温环境下，形成PVA物理凝胶；最后将制备的PVA物理凝胶置于含有50mL水的烧杯中，加入10％戊二醛溶液1.5mL作为交联剂，滴加浓硫酸调节pH至1，反应在轻微搅拌下持续4h后，将样品取出用超纯水冲洗终止交联，最终制得光子晶体水凝胶葡萄糖传感器。
本发明所描述的泪糖传感器可用于直接佩戴在角膜表面，当葡萄糖分子与4-BBA的苯硼酸基团结合后，使PVA发生皱缩和溶胀，带动埋植在PVA凝胶内的PS微球之间的光子带隙发生改变，使相应的衍射光波长发生改变，肉眼可见其颜色发生改变。
本发明通过上述方法制得的泪糖传感器具有两大优势，一是方法简单，生物安全性可靠；二是可以实现泪糖浓度范围内的葡萄糖浓度的检测。
本发明的光子晶体水凝胶泪糖传感器使用方法为：患者用食指轻触泪糖传感器外表面，将其黏在手指前端，另一手辅助抬起上下眼皮，然后将泪糖传感器一边先贴附于角膜表面，缓慢推至整个泪糖传感器贴附，转动眼球，挤压可能存在的空气，泪糖传感器可通过瞬目运动及泪液的分布接触泪液，传感器直接佩戴在糖尿病患者眼表，通过其颜色改变并比对参照颜色来间接实现血糖水平的监测。可以根据角膜接触镜的性能日抛、月抛等。
附图说明
图1光子晶体水凝胶葡萄糖传感器的构建过程流程图，
其中，1为聚苯乙烯微球，2为聚乙烯醇水凝胶，3为4-羟基苯硼酸，4为PMMA制备的角膜接触镜。
图2光子晶体水凝胶葡萄糖传感器的实物图及示意图，
其中，1为聚苯乙烯微球规则排列的晶胶阵列，2、3为4-羟基苯硼酸修饰的聚乙烯醇水凝胶，4为PMMA制备的角膜接触镜。
图3胶体微球自组装成晶胶阵列的光衍射特性示意图。
图4乳液聚合反应装置示意图，
其中，1，搅拌器；2，控温器；3，氮气；4，恒压漏斗；5，冷凝管；6，四口烧瓶；7，油浴漕。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种泪糖检测传感器，其包括：通过乳液聚合方式制备200nm直径的聚苯乙烯微球，具体方法为：由于苯乙烯遇热或在紫外光辐照下易于聚合，所以苯乙烯单体中常加入阻聚剂，因此在进行聚合前，需要将苯乙烯精制，单体经10％氢氧化钠溶液反复冲洗后，通过减压蒸馏收集60～65℃的馏分，储存于冰箱中备用；
聚苯乙烯的合成过程中使用的仪器设备均进行严格处理，严格控制实验反应条件，使反应在密闭、无氧、无杂质的条件下进行，为了使玻璃仪器达到无水无杂质的要求，先将玻璃仪器用洗涤剂浸泡，然后经刷子刷洗、超声清洗、超纯水冲洗后，放入烘箱中烘干备用；
单分散聚苯乙烯微球的聚合装置如图4所示，反应在500mL四口烧瓶中进行，四个磨口分别连接搅拌器、冷凝管、导气管和恒压漏斗(加料管)，反应过程需氮气保护，实验步骤如下：
(1)将含有0.172g碳酸氢钠(NaHCO3)与87mL去离子水经超声分散后加入烧瓶中搅拌，调节搅拌速率为300r·min-1，同时通入氮气除氧30min；
(2)加入40mL(0.02g·mL-1)表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)，升温至50℃后恒温20min；
(3)将60mL提纯后的苯乙烯单体装入恒压漏斗，缓慢滴加到烧瓶中，调节搅拌速率至200r·min-1，然后升温到70℃，恒温20min；
(4)将引发剂过硫酸氨((NH4)2S2O8,APS)35mL(0.02g·mL-1)滴加到混合溶液中，在70℃恒定温和恒定搅拌速率条件下反应3.5h；
(5)将样品冷却到室温后出料，得到稳定的单分散聚苯乙烯乳液。
将新鲜合成的聚苯乙烯乳液用玻璃棉过滤，除去大颗粒团聚体，所得胶体溶液经超声分散后，装入截留分子量为14,000的透析袋中，以超纯水透析除去乳液中未分解的引发剂APS、缓冲剂NaHCO3、未反应的单体及杂质离子等，每天换一次纯水，直至透析袋内胶体粒子全部自组装为晶胶阵列(CCA)(7～21天)，整体呈现明亮的布拉格衍射光，将CCA取出装瓶并加入少量离子交换树脂保持CCA溶液洁净无杂质；
将制备所得的单分散，高密度电荷的聚苯乙烯微球通过垂直沉降法将PS微球自组装在玻璃基片和角膜接触镜表面，将硬性角膜接触镜用去离子水超声清洗干净，吹干，浸泡到H2O25wt％溶液12h，进行亲水化处理，盖玻片用浓H2SO4-H2O2(7:3，V/V)溶液中6h，并非别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15min，并吹干待用。将角膜接触镜固定在盖玻片表面，并垂直贴于玻璃槽内，加入0.3％(m/m)PS微球悬浮液，在60℃的恒温箱内控制溶液匀速挥发，小球通过表面张力慢慢自组装与角膜接触镜表面；称取3g聚乙烯醇(PVA)固体，加入0.2ml二甲基亚砜(DMSO)，在N2氛围下升温至120℃，恒温搅拌2h，将0.4g 4-醛基苯硼酸(4-BBA)加入上述PVA溶液内，滴定HCl，反应数小时，冷却降温，并配制成10％4-BBA-PVA(w/w)的均匀溶液；将上述制备的PS微球自组装角膜接触镜表面滴涂改性的PVA溶液，并放置5h。将其放入低温环境下，形成PVA物理凝胶，最后将制备的PVA物理凝胶置于含有50mL水的烧杯中，加入10％戊二醛溶液1.5mL作为交联剂，滴加浓硫酸调节pH至1，反应在轻微搅拌下持续4h后，将样品取出用超纯水冲洗终止交联，最终制备成光子晶体水凝胶泪糖传感器。将制备的泪糖传感器储存于去离子水环境。
使用时：
首先，将一手指前面轻触泪糖传感器成功粘附；
其次，另一手翻开眼睛上下睑，初次使用者可对着镜子操作，此时，粘有泪糖传感器的手将泪糖传感器靠近角膜表面，先将传感器的一边轻触角结膜表面，而后逐渐推至整个泪糖传感器粘附于角结膜表面；通过瞬目运动排出可能存在在泪糖传感器和角结膜间的空气，且通过曲率贴附，泪糖传感器自行移动到角结膜中央位置，操作简单，患者可自行完成；
制得的泪糖传感器与泪液接触，其中的葡萄糖成分与4-羟基苯硼酸结合，苯硼酸在碱性溶液中发生羟基化，OH进攻B原子，此时硼酸发生构型转变生成四面体结构的苯硼酸阴离子；其次，四面体的苯硼酸阴离子与糖类分子结合生成五元环酯，其空间构型发生改变，带动水凝胶及均匀分布在其中的聚苯乙烯微球粒子间隙发生改变，可通过的可见光波段发生改变，肉眼所见颜色发生改变，患者可通过颜色比对以及周边人员提醒时刻关注自身泪糖的改变，从而实现自身葡萄糖水平的无创实时监测。
实施例2
通过乳液制备的方法制备300nm直径的聚苯乙烯微球，制备方法同实施例1，在此不在赘述。
本实施例改变聚苯乙烯微球与聚乙烯醇的比例，将制备所得的单分散，高密度电荷的聚苯乙烯微球通过垂直沉降法将PS微球自组装在玻璃基片和角膜接触镜表面，将硬性角膜接触镜用去离子水超声清洗干净，吹干，浸泡到H2O25wt％溶液12h，进行亲水化处理，盖玻片用浓H2SO4-H2O2(7:3，V/V)溶液中6h，并分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15min，并吹干待用，将角膜接触镜固定在盖玻片表面，并垂直贴于玻璃槽内，加入0.3％(m/m)PS微球悬浮液，在60℃的恒温箱内控制溶液匀速挥发，小球通过表面张力慢慢自组装与角膜接触镜表面，称取1g聚乙烯醇(PVA)固体，加入0.2ml二甲基亚砜(DMSO)，在N2氛围下升温至120℃，恒温搅拌2h，将0.4g 4-醛基苯硼酸(4-BBA)加入上述PVA溶液内，滴定HCl，反应数小时，冷却降温，并配制成10％4-BBA-PVA(w/w)的均匀溶液；将上述制备的PS微球自组装角膜接触镜表面滴涂改性的PVA溶液，并放置5h。将其放入低温环境下，形成PVA物理凝胶；最后将制备好的PVA物理凝胶置于含有50mL水的烧杯中，加入10％戊二醛溶液1.5mL作为交联剂，滴加浓硫酸调节pH至1，反应在轻微搅拌下持续4h后，将样品取出用超纯水冲洗终止交联，最终制备成光子晶体水凝胶泪糖传感器；将制备的泪糖传感器储存于去离子水环境。
本实施例中，通过制备不同粒径的聚苯乙烯微球，以及调整聚乙烯醇的比例，检测泪糖传感器的检测效能，颜色的改变可对应泪糖的改变，但每一种配比具有自身的检测效能，需在体外实验建立标准曲线及建立标准；由于糖尿病患者的泪糖和血糖具有良好的相关性，通过泪糖的检测就可以知道其泪糖的含量，从而实现血糖的检测。
使用方法与实施例1相同，在此不在赘述。
综上，在本发明实施例提供的泪糖传感器中，使用者只需通过佩戴泪糖传感器，就可以自主的检测自身泪糖的水平，从而为实现全身血糖的无创实时监测提供可能。
上述仅为本发明的优选实施例，并不对本发明起到任何限定作用，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本技术方案的范围内，对本发明型揭示的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属于本发明型的技术方案内容，仍属于本发明型的保护范围内。
Claims (9)
1.光子晶体水凝胶泪糖传感器，为利用光子晶体光衍射特性用其颜色改变来辨识泪糖改变的仪器，其特征在于，由聚苯乙烯微球(PS)(1)，聚乙烯醇水凝胶(PVA)(2)，4-羟基苯硼酸(4-BBA)(3)，硬性角膜接触镜(4)制成。
2.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚苯乙烯微球(1)，单分散的聚苯乙烯微球用乳液聚合方式制备，制备直径控制在200nm水平，具备良好的均一性。
3.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚乙烯醇水凝胶(2)，为聚乙烯醇固体溶于去离子水所得，具备凝胶特性，聚苯乙烯微球在其中均匀分布，并具备伸缩特性，聚乙烯醇可通过自身空间结构的伸缩改变聚苯乙烯微球之间的粒子间隙。
4.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的4-羟基苯硼酸(3)，其与葡萄糖分子发生反应，为所述传感器的启动点，其中，首先，苯硼酸在碱性溶液中发生羟基化，OH进攻B原子，硼酸发生构型转变生成四面体结构的苯硼酸阴离子；其次，四面体的苯硼酸阴离子与糖类分子结合生成五元环酯，所生成的环状酯在酸性溶液中极易水解，反应恢复到苯硼酸化合物和糖类分子，所述传感器的整个传感过程的反应是相互可逆的。
5.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的硬性角膜接触镜(4)，由PMMA制备而成，其基本参数为直径11.0，光度0.0，基弧7.3，该参数可根据具体情况而量身定做。
6.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚苯乙烯微球(PS)，聚乙烯醇水凝胶(PVA)和4-羟基苯硼酸(4-BBA)，以硬性角膜接触镜为依托，所述的角膜接触镜对人角膜具有良好的生物相容性。
7.权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器的制备方法，，其特征在于，其包括步骤：
1)通过垂直沉降法将PS微球自组装在玻璃基片和角膜接触镜表面，将硬性角膜接触镜用去离子水超声清洗，吹干，浸泡到H2O25wt％溶液12h，进行亲水化处理；
2)盖玻片置浓H2SO4-H2O2溶液中6h，并分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，并吹干待用；
3)将角膜接触镜固定在盖玻片表面，并垂直贴于玻璃槽内，加入0.3％(m/m)PS微球悬浮液，在60℃的恒温箱内控制溶液匀速挥发，小球通过表面张力自组装与角膜接触镜表面；
4)称取聚乙烯醇(PVA)固体，加入二甲基亚砜(DMSO)，在N2氛围下升温至120℃，恒温搅拌2h，将0.4g 4-醛基苯硼酸加入上述PVA溶液内，滴定HCl，反应数小时，冷却降温，并配制成10％4-BBA-PVA(w/w)的均匀溶液；
5)将上述制备的PS微球自组装角膜接触镜表面滴涂改性的PVA溶液，并放置5h，将其放入低温环境下，形成PVA物理凝胶；
6)将制备的PVA物理凝胶置于含水的烧杯中，加入10％戊二醛溶液作为交联剂，滴加浓硫酸调节pH至1，搅拌下持续4h后，取出样品冲洗终止交联，制得光子晶体水凝胶葡萄糖传感器。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，盖玻片置浓H2SO4-H2O2(7:3，V/V)溶液中6h。
9.按权利要求1或2所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚苯乙烯微球(1)，单分散的聚苯乙烯微球通过下述方法制备，
采用单分散聚苯乙烯微球的聚合装置，
(1)将含有碳酸氢钠(NaHCO3)与去离子水经超声分散后加入烧瓶中搅拌，调节搅拌速率为300r·min-1，同时通入氮气除氧；
(2)加入表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)，升温至50℃后恒温；
(3)将提纯后的苯乙烯单体装入恒压漏斗，缓慢滴加到烧瓶中，调节搅拌速率至200r·min-1，然后升温到70℃，恒温20min；
(4)将引发剂过硫酸氨((NH4)2S2O8,APS)滴加到混合溶液中，在70℃恒定温和恒定搅拌速率条件下反应3.5h；
(5)将样品冷却到室温后出料，得稳定的单分散聚苯乙烯乳液。
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