CN110320254A - 可注射的多级螺旋纤维状传感器及其制备方法和使用方法 - Google Patents

可注射的多级螺旋纤维状传感器及其制备方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物电化学检测技术领域，具体为一种可注射的多级螺旋纤维状传感器及其制备方法和使用方法。本发明仿生肌肉组织的结构，通过末端结构设计和加捻工艺调控实现多功能纤维状传感器的构筑，包括同一功能末端径向梯度分布纤维和不同功能同一位点轴向分散分布纤维，可以分别实现单一信号的空间分布检测和同一位点多种信号同时检测。本发明还提供多级螺旋纤维状传感器的使用方法：通过静脉注射将纤维状传感器微创植入体内。经细胞、组织学、动物实验，证明纤维状传感器具有优异的生物安全性；将纤维状传感器与无线传感系统结合，可实现检测信号在移动端的实时监测，在生物监测、移动医疗、个体医疗领域具有广阔的应用前景。

Description

可注射的多级螺旋纤维状传感器及其制备方法和使用方法
技术领域
本发明属于生物电化学检测技术领域，具体涉及一种可注射纤维状电化学传感器及其制备方法和使用方法。
背景技术
随着医疗技术的发展和疾病防治重视程度的提高，个人生理信息的实时监测以及带来的个体化医疗受到大家广泛关注。电化学传感器是一类可以将化学信号转化成电信号的装置，可以用于检测特定化学物质的信号，在可穿戴医疗等领域有广泛应用。现有的体外电化学传感器主要是基于汗液、尿液作为检测媒介，这些媒介不能连续存在，同时成分单一，限制了在体监测的连续性、准确性和多元化。与此不同的是，可植入式传感器是以血液、组织液为媒介，可以准确、实时检测人体中的生理信号，为人们提供及时的健康信息。但是现有的大多数植入式传感器因其材料刚性、二维平面的形状在植入过程中会产生较大的损伤，很难和组织形成一个稳定的界面，难以实现准确的检测，从而影响信号采集和生物安全，限制了其应用。
为解决植入式传感器的问题，我们设计了一种基于碳纳米管纤维制备的具有多级螺旋结构的可注射纤维状电化学传感器，此传感器呈纤维状，具有与肌肉组织相似的多级螺旋结构，从而保证了此器件在体优异的生物相容性和良好的力学匹配性。纤维状电化学传感器是基于纤维状导电基底，通过层层构筑的方法在基底表面修饰不同的活性材料从而制备出一系列具有不同功能的电化学传感器。例如，在导电基底上修饰的活性物质为铂纳米颗粒、铂纳米颗粒/葡萄糖氧化酶、PEDOT和Na+选择性膜、PEDOT和Ca2+选择性膜、PEDOT和K+选择性膜、PSA抗体、聚苯胺等；相应地，可以分别检测H2O2、葡萄糖、Na+、Ca2+、K+、PSA抗原和pH。通过与被检测物接触后，发生氧化还原反应、或者物理吸附等，从而在传感器端产生相应的电流或者电势差，电信号可以与底物浓度产生相应的线性关系，最终可以根据电信号的变化得知基底浓度。碳纳米管纤维具备良好的化学修饰性能、较大的比表面积和高电导率，基于此材料可以制备出一系列高性能的电化学传感器，同时碳纳米管纤维可以实现在微观上与细胞力学性能、宏观上与组织力学性能跨尺度匹配，同时具有优异的生物相容性、生物整合性，从而保证了基于碳纳米管纤维制备的一系列传感器在体检测的低创伤、高准确性和高稳定性。为了进一步提高与组织整合性能，通过仿生肌肉组织的多级螺旋结构，我们将单根纤维状电化学传感器进行不同的螺旋状设计，在保留碳纳米管纤维优点的同时，可以同时对空间上多个位点进行检测，或是同时对一个位点的多种物质进行检测。目前为止，还未见任何与此结构类似的电化学传感器的报道。
另一方面，纤维状传感器因其体积小、一维结构可以通过注射的形式进行植入，从而发展了一种简单、微创的植入方法。此方法的由来借助于静脉注射，其一直以来被临床用于输液或注射药物，具有简便、创伤性小、容易操作等优点。纤维状电化学传感器具有一维结构，可以很好地和静脉注射结合起来，得到一种简便、易操作、创伤小的植入方法。通过此方法，可以将纤维状传感器植入到体内实现在体的长期稳定检测，且不会导致组织损伤或是炎症。然而，目前为止，还未见任何纤维状传感器植入方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可注射的多级螺旋纤维状传感器及其制备方法，同时提供一种与其一维结构相匹配的植入方法。
本发明仿生了肌肉组织的结构，通过末端结构设计和加捻工艺调控实现多级螺旋纤维状传感器构筑。同种功能末端径向梯度分布纤维和不同功能轴向分散分布纤维，可以分别实现单一信号的空间分布检测和同一位点多种信号同时检测。另外，基于纤维状电化学传感器一维结构，提供与其结构相匹配的微创植入方法。
本发明提供的可注射的多级螺旋纤维状传感器，由N根具有检测功能的纤维状传感器，以银/氯化银纤维参比电极为中心，经加捻绕成多级螺旋结构而得到；其中，具有检测功能的纤维状传感器由碳纳米管纤维表面复合活性物质而形成，所述活性物质根据需要检测的对象而选择；各根纤维状传感器表面有绝缘层；其中，如果这N根具有检测功能的纤维状传感器中，所有的传感器表面复合的活性物质不同且末端排布成径向分布，则为具有同一位置不同检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器；如果这N根具有检测功能的纤维状传感器中，每根传感器表面的活性物质是相同的且末端排布成轴向分布，则为具有单一空间分辨检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器。通常，N为3-7的整数，优选N为5-7。
本发明提供的上述可注射的多级螺旋纤维状传感器的制备方法，具体步骤如下：
（1）在N根碳纳米管纤维表面分别复合活性物质，制得N种纤维状传感器，将PDMS滴于各根纤维状传感器上作为绝缘层；
（2）以银/氯化银纤维参比电极为中心，将N根纤维状传感器平行放置，通过控制各根纤维状传感器件之间的间距（间距控制在单根纤维直径左右，约40-60 μm）和与参比电极的夹角（一般夹角控制在45-60°）；一端固定于转子马达，另一端使用胶带固定于纸上，将纤维状传感器以200-300 rad/s的速度捻为一股，制得多级螺旋纤维状传感器。这里，当N根具有检测功能的纤维状传感器中，所有碳纳米管纤维表面复合的活性物质是不同的且所有纤维状传感器末端与银/氯化银纤维参比电极末端水平对齐，则为具有同一位置不同检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器；如果这3-7根具有检测功能的纤维状传感器中，所有碳纳米管纤维表面复合的活性物质是相同的且所有纤维状传感器末端与银/氯化银纤维参比电极末端轴向梯度分布（末端分布间距控制在~50 μm），则为具有单一空间分辨检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器。
本发明中，所述活性物质根据需要检测的对象而选择；例如，所述活性物质为铂纳米颗粒、铂和葡萄糖氧化酶、PEDOT和Na+选择性膜、PEDOT和Ca2+选择性膜、PEDOT和K+选择性膜、PSA抗体、聚苯胺等；相应地，可以分别检测H2O2、葡萄糖、Na+、Ca2+、K+、PSA抗原和pH。
本发明还提供上述可注射的多级螺旋纤维状传感器的使用方法，即与多级螺旋纤维状传感器的一维结构相匹配的注射方法，具体步骤如下：
将多级螺旋纤维状传感器穿入预先抽好生理盐水的注射器针头中，此多功能纤维状传感器中有活性材料负载的末端在针头中，另一端则在针筒中；将动物麻醉后，进行消毒和灭菌处理，将纤维状传感器以0.8-1.2 mm s-1的流速注射入目标区域；抽出针头，棉棒止血，待血止后，使用牙科水泥将纤维状传感器固定于皮肤，纤维状传感器末端涂上银胶，连至检测器。
可注射的具有多级螺旋结构纤维状传感器是将一系列不同功能的单功能纤维状传感器和一根作为中心的银/氯化银纤维参比电极加捻制成，可同时对多个位点的同一物质进行检测或是同一位点的多种物质的检测。通过借鉴静脉注射方法，可以将纤维状传感器以注射的形式准确微创地植入在目标区域，实现纤维状电化学传感器与周围组织良好的整合，从而保证其在体精确、长期的检测。通过细胞、组织学、动物实验，证明本发明纤维状传感器具有优异的生物安全性。将纤维状传感器与无线传感系统结合，可实现检测信号在移动端的实时监测，在生物监测、移动医疗、个体医疗领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为不同功能的单根纤维状传感器性能图示。其中，横向行中，a是过氧化氢传感器，b是PSA传感器，c是钙离子传感器，d是葡萄糖传感器。综向列中，（Ⅰ）为不同功能的示意图，（Ⅱ）为SEM图，比例尺，左：25 μm；右：1 μm；（Ⅲ）和（Ⅳ）为性能图。
图2为多功能器件制备示意图和SEM图。比例尺：50 μm。
图3为纤维状传感器植入到不同目标区域的示意图。其中，a是肿瘤部位，b是血管；c图是纤维状传感器植入进动物体内后，器件与周围毛发的对比。比例尺：500 μm。
图4为纤维状传感器植入到血管内的光声图。其中，a是截面图，b是侧面图。c和d是HE染色，e和f是免疫荧光染色。比例尺，700 μm (a)，2 mm (b)， 50 μm（c-f）。
图5为具有多种功能的多级纤维状传感器植入到猫的血管中，对血液中钙离子和葡萄糖的长期检测。
图6为具有空间检测功能的多级纤维状传感器植入到小鼠肿瘤中，对肿瘤生长过程中过氧化氢分布的长期检测。
具体实施方式
下面通过具体实例结合附图进一步介绍本发明。
多级纤维状传感器的制备。
（1）具有同一位置不同功能检测的多级螺旋纤维状电化学传感器的制备：通过在碳纳米管纤维表面复合不同的活性物质（例如碳纳米管纤维/Pt纳米颗粒用来检测过氧化氢，碳纳米管纤维/Pt/葡萄糖氧化酶检测葡萄糖，碳纳米管纤维/PEDOT/Ca2+选择性膜检测Ca2+浓度，相应的改变活性材料可以检测PSA抗原浓度，如附图1）可以制得3-7根具有不同功能的单根纤维状传感器，将PDMS浸涂与表面并且在80℃下进行烘干以作为绝缘层；以银/氯化银纤维参比电极为中心，将3-7根单级传感器平行放置，所有传感器末端和银/氯化银纤维参比电极末端水平对齐，控制各根纤维状传感器件之间的间距（间距控制在单根纤维直径左右，约40-60 μm）和与参比电极的夹角（夹角控制在45-60°）；一端固定于转子马达，另一端使用胶带固定于纸上，以200-300 rad/s的速度将传感器拧为一根，制得具有同一位置多功能检测的纤维状传感器（详见附图2b）。
（2）具有单一功能空间分辨检测的多级螺旋纤维状电化学传感器的制备：通过在碳纳米管纤维表面沉积Pt纳米颗粒可以用来检测过氧化氢，制备3-7根上述器件，将PDMS浸涂与表面并且在80℃下进行烘干以作为绝缘层；以银/氯化银纤维参比电极为中心，将其余传感器平行放置，所有传感器末端和银/氯化银纤维参比电极末端沿垂直方向径向分布，末端分布间距控制在~50 μm，控制各根纤维状传感器件之间的间距（间距控制在单根纤维直径左右，约40-60 μm）和与参比电极的夹角（夹角控制在45-60°）；一端固定于转子马达，另一端使用胶带固定于纸上，以200-300 rad/s的速度将传感器拧为一根，制得具有空间分辨的纤维状传感器（详见附图2a）。
纤维状传感器注射的具体步骤（附图3 a和b）。将多级螺旋纤维状传感器穿入预先抽好生理盐水的注射器针头中，此多功能纤维状传感器中有活性材料负载的末端在针头中，另一端则在针筒中；将动物麻醉后，进行消毒和灭菌处理，将纤维状传感器以0.8-1.2mm s-1的流速注射入目标区域；抽出针头，棉棒止血，待血止后，器件涂有活性材料的一端植入到体内，器件在血管内的状态通过光声测试表征，观察到没有与周围血管壁贴附，平滑的分布在血管中央（附图4 a和b），留在体外的一端呈毛发状（附图4 c），使用牙科水泥将纤维状传感器固定于皮肤，纤维状传感器末端涂上银胶，连至检测器。
将具有同一位置不同功能检测的多级螺旋纤维状电化学传感器植入在动物的血管中进行葡萄糖和血钙的检测（附图5），此器件可以及时检测到血管内血糖和血钙的波动，并与商业血糖仪保持相同的检测精度。将具有单一功能空间分辨检测的多级螺旋纤维状电化学传感器植入在裸鼠的肿瘤中进行H2O2的检测（附图6），器件可以准确的检测到肿瘤内过氧化氢的浓度由肿瘤中心向外逐渐降低，同时随着肿瘤的生长可以观察到肿瘤中心的过氧化氢浓度越来越高。
最终将该电化学传感器和小型放大器处理器连接，并连接无线蓝牙装置，可以将其“穿戴”在实验动物身上并将数据实时传输到智能手机上，可同时对多个位点的同一物质的检测或是同一位点的多种物质的检测。由于借鉴了静脉注射方法，具有简便性、创伤小、良好的长期稳定性与生物安全性好等优点，实现了检测信号在移动端的实时监测，在生物监测、移动医疗、个体医疗领域具有广阔的应用前景。

Claims (5)

1.一种可注射的多级螺旋纤维状传感器，其特征在于，由N根具有检测功能的纤维状传感器，以银/氯化银纤维参比电极为中心，经加捻绕成多级螺旋结构而得到；其中，具有检测功能的纤维状传感器由碳纳米管纤维表面复合活性物质而形成，所述活性物质根据需要检测的对象而选择；各根纤维状传感器表面有绝缘层；其中，如果这N根具有检测功能的纤维状传感器中，所有的传感器表面复合的活性物质不同且末端排布成径向分布，则为具有同一位置不同检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器；如果这N根具有检测功能的纤维状传感器中，每根传感器表面的活性物质是相同的且末端排布成轴向分布，则为具有单一空间分辨检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器；N为3-7的整数。
2.一种如权利要求1所述的可注射的多级螺旋纤维状传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）在N根碳纳米管纤维表面分别复合活性物质，制得N根纤维状传感器，将PDMS滴于各根纤维状传感器上作为绝缘层；
（2）以银/氯化银纤维参比电极为中心，将N根纤维状传感器平行放置，通过控制各根纤维状传感器件之间的间距和与参比电极的夹角来控制最终检测端之间的间隔；在制备同一位置不同检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器时，这N根纤维状传感器表面复合的活性物质不同且末端排布成径向分布；在制备单一空间分辨检测功能的多级螺旋纤维状电化学传感器时，这N根纤维状传感器表面复合的活性物质是相同的且末端排布成轴向分布；之后所有器件按上述排布好之后，另一端使用胶带固定于纸上，将纤维状传感器捻为一股，制得多级螺旋纤维状传感器。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述活性物质为铂纳米颗粒、铂纳米颗粒和葡萄糖氧化酶、PEDOT和Na+选择性膜、PEDOT和Ca2+选择性膜、PEDOT和K+选择性膜、PSA抗体或聚苯胺；相应地，制备的碳纳米管纤维/铂纳米颗粒传感器可用来检测过氧化氢，制备的碳纳米管纤维/Pt/葡萄糖氧化酶传感器可用来检测葡萄糖，制备的碳纳米管纤维/PEDOT/Na+选择性膜传感器可用来检测Na+浓度，制备的碳纳米管纤维/PEDOT/Ca2+选择性膜传感器可用来检测Ca2+浓度，制备的碳纳米管纤维/PEDOT/K+选择性膜传感器可用来检测K+浓度，制备的碳纳米管纤维/PSA抗体传感器可用来检测PSA抗原浓度，制备的碳纳米管纤维/PANI传感器可用来检测pH。
4. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述各根纤维状传感器件之间的间距为40-60 μm，纤维状传感器件与参比电极的夹角为45-60°。
5. 一种如权利要求1所述的可注射的多级螺旋纤维状传感器的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：将多级螺旋纤维状传感器穿入预先抽好生理盐水的注射器针头中，此多功能纤维状传感器中有活性材料负载的末端在针头中，另一端则在针筒中；将动物麻醉后，进行消毒和灭菌处理，将纤维状传感器以0.8-1.2 mm s-1的流速注射入目标区域；抽出针头，棉棒止血，待血止后，使用牙科水泥将纤维状传感器固定于皮肤，纤维状传感器末端涂上银胶，连至检测器。
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