CN113367734B - 一种肠道微生物原位检测机器人及方法 - Google Patents

一种肠道微生物原位检测机器人及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种肠道微生物原位检测机器人及方法，包括机器人本体，所述机器人本体包括水凝胶支架和海藻酸钠交联网络层，所述海藻酸钠交联网络层分别设置在所述水凝胶支架两端；一端所述海藻酸钠交联网络层内设有能量颗粒，所述能量颗粒能够与酸性溶液反应产生气泡；另一端所述海藻酸钠交联网络层内设有免疫检测单元，所述免疫检测单元包括设有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒，所述抗体能够在与被检测微生物特异性结合时，触发所述荧光蛋白发出荧光。本发明实现微生物状态原位检测，检测结果能够精确的反映出肠道内最真实的微生物情况。

Description

一种肠道微生物原位检测机器人及方法
技术领域
本发明涉及医疗机器人领域，具体涉及一种肠道微生物原位检测机器人及方法。
背景技术
肠道内微生物的动态平衡对人体健康至关重要，且菌落失衡往往与疾病的发生密切相关。因此，通过对肠道微生物的检测来预测和诊断相应的疾病成了一种全新的疾病诊断方法。在临床上，针对肠道微生物的检测方法主要有以下几种：1)通过人体的临床表现推断微生物状态的变化，该方法能够粗略地表征出某些微生物失衡状态，但是对微生物的表征已经是在发病以后，失去了疾病预防和诊断的目的；2)通过唾沫或排泄物检测，如：幽门螺旋杆菌通过唾沫检测，艾克曼菌通过粪便中提取检测。这种方法是目前对肠道内微生物常用的检测方法，然而，通过唾沫或排泄物的检测往往不能很真实的反应出肠道内微生物的真实状况，而影响检测的精度；3)活检技术，通过肠镜或胃镜等手段在肠道内提取肠道黏膜样本，然后对样本中的微生物经过培养筛选后再进行检测。这种方法病人需要做肠镜或胃镜等手段，病人成本高且承受更多的痛苦。此外，活检过程在体外也会对样本产生影响，从而影响检测准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种肠道微生物原位检测机器人及方法，实现微生物状态原位检测，检测结果能够精确的反映出肠道内最真实的微生物情况。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种肠道微生物原位检测机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括水凝胶支架和海藻酸钠交联网络层，所述海藻酸钠交联网络层分别设置在所述水凝胶支架两端；
一端所述海藻酸钠交联网络层内设有能量颗粒，所述能量颗粒能够与酸性溶液反应产生气泡；
另一端所述海藻酸钠交联网络层内设有免疫检测单元，所述免疫检测单元包括设有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒，所述抗体能够在与被检测微生物特异性结合时，触发所述荧光蛋白发出荧光。
作为本发明的进一步改进，所述海藻酸钠交联网络层为海藻酸钠与水凝胶混合层。
作为本发明的进一步改进，所述能量颗粒为能够与酸性溶液反应产生氢气的金属纳米颗粒。
作为本发明的进一步改进，所述纳米颗粒为金纳米颗粒，所述金纳米颗粒表面上设有羧基，并通过链接化合物共价连接所述抗体和荧光蛋白。
作为本发明的进一步改进，所述机器人本体的外形为鱼状，所述水凝胶支架的外形为鱼身，设有能量颗粒一端的所述海藻酸钠交联网络层为鱼尾，设有免疫检测单元一端的所述海藻酸钠交联网络层为鱼头。
作为本发明的进一步改进，所述机器人本体的总长度为200μm，厚度为50μm，所述水凝胶支架的长度为150μm，所述能量颗粒的直径为100nm，所述纳米颗粒的直径为200nm。
作为本发明的进一步改进，所述水凝胶支架和海藻酸钠交联网络层均通过3D打印固化成型。
一种肠道微生物原位检测方法，采用如上所述的一种肠道微生物原位检测机器人，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将机器人本体通过口服经过胃进入肠道内，肠道内体液将海藻酸钠降解，露出能量颗粒和免疫检测单元；
步骤2：能量颗粒与肠道内酸性溶液反应产生气泡驱动所述机器人本体到肠道粘膜上，直接与肠道微生物接触；
步骤3：当抗体与被检测微生物特异性结合时，出发荧光蛋白发出荧光，在体外通过检测荧光强度实现对微生物浓度的检测。
一种肠道微生物原位检测机器人的制作方法，包括以下步骤：
步骤A：通过3D打印技术将水凝胶溶液进行固化成型，形成水凝胶支架；
步骤B：通过3D打印技术将水凝胶、海藻酸钠以及能量颗粒混合溶液进行固化并成型在水凝胶支架的一端；
步骤C：制备具有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒作为免疫检测单元；
步骤D：通过3D打印技术将水凝胶、海藻酸钠以及免疫检测单元混合溶液进行固化并成型在水凝胶支架的另一端，完成机器人本体制作。
作为本发明的进一步改进，所述步骤C中制备免疫检测单元具体包括以下步骤：
步骤C-1：将纳米颗粒浸泡在3-羟基丙酸水溶液中，使纳米颗粒表面修饰一层羟基，1小时后，用去离子水多次高速离心清洗残余的3-羟基丙酸；
步骤C-2：通过1--3-乙基碳二亚胺和N-羟乙基酞酰亚胺与3-羟基丙酸共价结合；
步骤C-3：将抗体通过共价结合的方式修饰在1--3-乙基碳二亚胺和N-羟乙基酞酰亚胺上，和荧光蛋白修饰在纳米颗粒表面；
步骤C-4：将纳米颗粒浸泡在牛血清蛋白中半小时，高速离心并用去离子水清洗后放在4℃冰箱内备用。
本发明的有益效果：该机器人通过被吞服后，经消化道进入肠道内，肠道内体液将海藻酸钠降解，机器人在能够颗粒与体液化学反应的推动作用下进入到黏液层，通过免疫检测单元直接检测肠道黏液中的微生物状态，实现微生物状态原位检测，检测结果能够较精确的反映出肠道内最真实的微生物情况。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的免疫检测单元结构示意图；
图中标号说明：1、水凝胶支架；2、海藻酸钠交联网络层；3、能量颗粒；4、免疫检测单元；41、纳米颗粒；42、抗体；43、荧光蛋白。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种肠道微生物原位检测机器人，包括机器人本体，机器人本体包括水凝胶支架1和海藻酸钠交联网络层2，海藻酸钠交联网络层2分别设置在水凝胶支架1两端；
一端海藻酸钠交联网络层2内设有能量颗粒3，能量颗粒3能够与酸性溶液反应产生气泡；
另一端海藻酸钠交联网络层2内设有免疫检测单元4，免疫检测单元4包括设有荧光蛋白43和抗体42的纳米颗粒41，抗体42能够在与被检测微生物特异性结合时，触发荧光蛋白43发出荧光。
具体检测过程：将机器人本体通过口服经过胃进入肠道内，肠道内体液将海藻酸钠降解，露出能量颗粒和免疫检测单元；接着能量颗粒与肠道内酸性溶液反应产生气泡驱动机器人本体到肠道粘膜上，直接与肠道微生物接触；当抗体与被检测微生物特异性结合时，出发荧光蛋白发出荧光，在体外通过检测荧光强度实现对微生物浓度的检测，实现微生物状态原位检测，检测结果能够较精确的反映出肠道内最真实的微生物情况。
实施例二
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种肠道微生物原位检测机器人，在实施例一的基础上，其中，海藻酸钠交联网络层2为海藻酸钠与水凝胶混合层，水凝胶起到支架作用，海藻酸钠能够保护其内部的功能材料不会被胃酸分解。能量颗粒3为能够与酸性溶液反应产生氢气的金属纳米颗粒，用以推动机器人运动。纳米颗粒41为金纳米颗粒，金纳米颗粒表面上设有羧基，并通过链接化合物共价连接抗体42和荧光蛋白43，通过体外检测荧光强度实现对微生物浓度的检测。
具体实施为，机器人本体的外形为鱼状，水凝胶支架1的外形为鱼身，设有能量颗粒3一端的海藻酸钠交联网络层2为鱼尾，设有免疫检测单元4一端的海藻酸钠交联网络层2为鱼头。即机器人外形类似于鱼的形状，能够减少液体对机器人运动的阻力，总长度约为200μm，厚度不超过50μm。水凝胶支架1是整个机器人除“鱼头”和“鱼尾”的“鱼身”部分，通过3D打印技术对水凝胶光固化成型，其到支撑整个机器人的功能。海藻酸钠分布于机器人的“鱼头”和“鱼尾”，与水凝胶混合成交联网络层，也是通过3D打印技术，将水凝胶和海藻酸钠混合制造而成，水凝胶起到支架作用，海藻酸钠能够保护其内部的功能材料不会被胃酸分解。能源颗粒3包裹在机器人“鱼头”的海藻酸钠交联网络层内，是能够与盐酸等酸性溶液反应产生氢气的金属纳米颗粒，金属纳米颗粒直径为100nm左右，能够与酸性溶液快速反应产生大量的气泡，用以推动机器人运动。免疫检测单元4包裹在“鱼尾”的海藻酸钠交联网络层2内，是修饰了荧光蛋白43和抗体42的金纳米颗粒，金纳米颗粒直径约为200nm，在其表面修饰羧基，并通过链接化合物共价连接抗体42和荧光蛋白43，当抗体42与被检测微生物特异性结合时，触发荧光蛋白43发出荧光，通过体外检测荧光强度实现对微生物浓度的检测。
该机器人能够通过口服直接经过胃而进入肠道内，并在能源颗粒3与肠道内酸性溶液的反应驱动到肠道粘膜上，直接与肠道微生物接触，并通过免疫检测单元4实现对肠道微生物的原位检测。
实施例三
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种肠道微生物原位检测机器人的制作方法，包括以下步骤：
步骤A：通过3D打印技术将水凝胶溶液进行固化成型，形成水凝胶支架1；
步骤B：通过3D打印技术将水凝胶、海藻酸钠以及能量颗粒3混合溶液进行固化并成型在水凝胶支架1的一端；
步骤C：制备具有荧光蛋白43和抗体42的纳米颗粒41作为免疫检测单元4；
步骤D：通过3D打印技术将水凝胶、海藻酸钠以及免疫检测单元4混合溶液进行固化并成型在水凝胶支架1的另一端，完成机器人本体制作。
具体的，在该3D打印技术中，软件绘制机器人外观图形，通过光空间调制仪(DMD)将该图形直接投影到水凝胶溶液中，水凝胶在光照区域固化成该图形所示的形状。该实施例中，水凝胶可选用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，该水凝胶能在紫外光照射下固化成型，且形成孔径较小的微纳结构，既能保证内部封装的微纳颗粒和检测单元与外界的体液和微生物能够有效接触，又能够阻挡微纳颗粒和检测单元直接流出道体液里面。此外，PEGDA具有较高的稳定性和生物兼容性，在消化道内都不会被降解。海藻酸钠与PEGDA形成双层的交联网络层，在特定的肠道内能够降解，而在胃液内不会被降解，保证了该机器人能够直接进入肠道内。3D打印制造过程中，因为“鱼头”、“鱼身”和“鱼尾”的材料都不完全一样，因此，通常分成三次分别制造。首先，以纯的PEGDA溶液打印“鱼身”作为机器人支架；其次，水凝胶和海藻酸钠混合溶液中加入金属纳米颗粒，如铂纳米颗粒，再用3D打印固化成“鱼尾”的形状；最后，水凝胶和海藻酸钠混合溶液中加入免疫检测单元，再用3D打印固化成“鱼头”的形状。
作为本实施例的进一步实施，步骤C中制备免疫检测单元4具体包括以下步骤：
步骤C-1：将纳米颗粒41浸泡在3-羟基丙酸水溶液中，使纳米颗粒41表面修饰一层羟基，1小时后，用去离子水多次高速离心清洗残余的3-羟基丙酸；
步骤C-2：通过1--3-乙基碳二亚胺和N-羟乙基酞酰亚胺与3-羟基丙酸共价结合；
步骤C-3：将抗体42通过共价结合的方式修饰在1--3-乙基碳二亚胺和N-羟乙基酞酰亚胺上，和荧光蛋白43修饰在纳米颗粒41表面；
步骤C-4：将纳米颗粒41浸泡在牛血清蛋白中半小时，高速离心并用去离子水清洗后放在4℃冰箱内备用。
具体的，主要由金纳米颗粒、抗体42和荧光蛋白43组成。首先，将金纳米颗粒浸泡在3-羟基丙酸水溶液(1mM)中，使金纳米颗粒表面修饰一层羟基，1小时后，用去离子水多次高速离心清洗残余的3-羟基丙酸；其次，通过1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid)和N-羟乙基酞酰亚胺(N-hydroxisuccinimide)(EDA/NHS)与3-羟基丙酸共价结合；然后，将抗体42通过共价结合的方式修饰在EDA/NHS上，和荧光蛋白43修饰在金纳米表面；最后，再将金纳米颗粒浸泡在牛血清蛋白(1.5％浓度)中半小时，高速离心并用去离子水清洗后放在4℃冰箱内备用。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种肠道微生物原位检测机器人，其特征在于：包括机器人本体，所述机器人本体包括水凝胶支架和海藻酸钠交联网络层，所述海藻酸钠交联网络层分别设置在所述水凝胶支架两端；
一端所述海藻酸钠交联网络层内设有能量颗粒，所述能量颗粒能够与酸性溶液反应产生气泡；所述能量颗粒为能够与酸性溶液反应产生氢气的金属纳米颗粒；
另一端所述海藻酸钠交联网络层内设有免疫检测单元，所述免疫检测单元包括设有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒，所述抗体能够在与被检测微生物特异性结合时，触发所述荧光蛋白发出荧光；
所述机器人本体的外形为鱼状，所述水凝胶支架的外形为鱼身，设有能量颗粒一端的所述海藻酸钠交联网络层为鱼尾，设有免疫检测单元一端的所述海藻酸钠交联网络层为鱼头。
2.如权利要求1所述的一种肠道微生物原位检测机器人，其特征在于：所述海藻酸钠交联网络层为海藻酸钠与水凝胶混合层。
3.如权利要求1所述的一种肠道微生物原位检测机器人，其特征在于：所述设有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒为金纳米颗粒，所述金纳米颗粒表面上设有羧基，并通过链接化合物共价连接所述抗体和荧光蛋白。
4.如权利要求1所述的一种肠道微生物原位检测机器人，其特征在于：所述机器人本体的总长度为200μm，厚度为50μm，所述水凝胶支架的长度为150μm，所述能量颗粒的直径为100nm，所述设有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒的直径为200nm。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种肠道微生物原位检测机器人，其特征在于：所述水凝胶支架和海藻酸钠交联网络层均通过3D打印固化成型。
6.一种肠道微生物原位检测机器人的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：通过3D打印技术将水凝胶溶液进行固化成型，形成水凝胶支架；
步骤B：通过3D打印技术将水凝胶、海藻酸钠以及能量颗粒混合溶液进行固化并成型在水凝胶支架的一端，其中，所述能量颗粒为能够与酸性溶液反应产生氢气的金属纳米颗粒；
步骤C：制备具有荧光蛋白和抗体的纳米颗粒作为免疫检测单元；
步骤D：通过3D打印技术将水凝胶、海藻酸钠以及免疫检测单元混合溶液进行固化并成型在水凝胶支架的另一端，完成机器人本体制作。
7.如权利要求6所述的一种肠道微生物原位检测机器人的制作方法，其特征在于：所述步骤C中制备免疫检测单元具体包括以下步骤：
步骤C-1：将纳米颗粒浸泡在3-羟基丙酸水溶液中，使纳米颗粒表面修饰一层羟基，1小时后，用去离子水多次高速离心清洗残余的3-羟基丙酸；
步骤C-2：通过1--3-乙基碳二亚胺和N-羟乙基酞酰亚胺与3-羟基丙酸共价结合；
步骤C-3：将抗体通过共价结合的方式修饰在1--3-乙基碳二亚胺和N-羟乙基酞酰亚胺上，和荧光蛋白修饰在纳米颗粒表面；
步骤C-4：将纳米颗粒浸泡在牛血清蛋白中半小时，高速离心并用去离子水清洗后放在4℃冰箱内备用。
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