CN113777145A - 一种微针生物传感器制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种微针生物传感器制造方法。微针生物传感器包括微针和衬底，微针的一端与衬底连接，微针的外表面设置有工作电极和第一电极，工作电极的外表面设置有酶，微针生物传感器的外表面包裹生物兼容性薄膜；微针生物传感器制造方法包括如下步骤：同时增材制造衬底和微针；在微针的外表面喷涂打印工作电极和第一电极并固化；在工作电极的外表面喷涂打印酶并干燥；使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成生物兼容性薄膜。衬底、微针、工作电极、第一电极、酶和生物兼容性薄膜均采用全打印方法进行制造，具有制造方法简单、价格低、耗时短的优点。

Description

一种微针生物传感器制造方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种微针生物传感器制造方法。
背景技术
目前，商用的动态血糖仪的葡萄糖传感器部分采用几毫米长的软针，由硬针带进插入，之后软针在体内进行连续的检测组织液中的葡萄糖浓度。这样的检测方式面临的问题与挑战有：(1)皮肤疼痛及针刺恐惧症。为将软针带入皮下，需要使用几毫米长的硬针刺入皮肤，使用硬针会带来针刺恐惧症，并会带来皮肤的疼痛感。(2)伤口深、面积大，愈合时间长。针刺入皮肤后，由于针长度较大，因此伤口较深、面积大，愈合时间相对较长。(3)感染的风险较高。传统硬针刺入后，由于局部皮肤组织损坏，有感染的风险，可能还会出现局部肿痛、分泌物、或者化脓，也可能在针刺部位有印记或者疤痕。(4)目前动态血糖仪价格普遍较高。普通的测定指尖血的血糖仪传感器试纸价格在1元左右，动态血糖仪传感器在几百元左右。
研究新型的无痛感/微痛感、更加安全、更加廉价的生物传感器进行组织液中葡萄糖或者其它体液分析物的动态监测将会对患者带来更好的体验，可使传感器得到更广泛的应用，对疾病的管理，尤其是糖尿病的管理将会起到更加有效的积极作用。
微针系统可以提供半侵入的疾病治疗方式和检测方式。同时，微针系统比起传统的长针减轻了患者的疼痛感、减小了伤口深度和面积、以及交叉感染的风险。而现有技术中，采用的传感器制造工艺方法复杂、价格高、耗时长。
发明内容
因此，本发明提供一种微针生物传感器制造方法，解决或部分解决现有技术中生物传感器制造具有工艺方法复杂、价格高、耗时长的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种微针生物传感器制造方法，所述微针生物传感器包括微针和衬底，所述微针的一端与所述衬底连接，所述微针的外表面设置有工作电极和第一电极，所述工作电极的外表面设置有酶，所述微针生物传感器的外表面包裹生物兼容性薄膜；所述微针生物传感器制造方法包括如下步骤：
同时增材制造所述衬底和所述微针；
在所述微针的外表面喷涂打印工作电极和第一电极并固化；
在所述工作电极的外表面喷涂打印所述酶并干燥；
使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
可选地，所述第一电极包括对电极和参比电极，步骤所述在所述微针的外表面喷涂打印工作电极和第一电极中还包括如下步骤，
在所述微针的外表面同时喷涂打印工作电极和对电极并固化，
在所述微针的外表面喷涂打印参比电极并固化；或，
在所述微针的外表面喷涂打印参比电极并固化，
在所述微针的外表面同时喷涂打印工作电极和对电极并固化。
可选地，所述微针至少具有三个，所述工作电极、所述对电极和所述参比电极均与所述微针一一对应设置。
可选地，所述微针具有一个，为棱锥状结构，所述工作电极、所述对电极和所述参比电极均与所述微针的面一一对应设置。
可选地，使用第一浆料喷涂打印工作电极，使用第二浆料喷涂打印对电极，所述第一浆料和所述第二浆料均为纳米金复合材料、或者均为纳米铂复合材料、或者均为纳米碳复合材料。
可选地，使用第三浆料喷涂打印参比电极，所述第三浆料为纳米级银/氯化银复合浆料。
可选地，步骤所述在所述微针的外表面喷涂打印工作电极和第一电极中包括，
在所述微针的外表面喷涂打印工作电极并固化，
在所述微针的外表面喷涂打印第一电极并固化，所述第一电极同时作为参比电极和对电极；或，
在所述微针的外表面喷涂打印第一电极并固化，
在所述微针的外表面喷涂打印工作电极并固化。
可选地，所述微针至少具有两个，所述工作电极和所述第一电极均与所述微针一一对应设置。
可选地，所述微针具有一个，为棱锥状结构，所述工作电极和所述第一电极均与所述微针的面一一对应设置。
可选地，使用第一浆料喷涂打印工作电极，使用第三浆料喷涂打印第一电极。
可选地，所述第一浆料中具有电子媒介体。
可选地，步骤在所述工作电极的外表面喷涂打印酶中，使用打印酶复合溶液。
本发明的微针生物传感器制造方法，同时增材制造衬底和微针，在微针的外表面喷涂打印工作电极和第一电极，在工作电极的外表面喷涂打印酶，衬底、微针、工作电极、第一电极、酶和生物兼容性薄膜均采用全打印方法进行制造，具有制造方法简单、价格低、耗时短的优点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的第一种微针生物传感器制造方法的流程图；
图2为本发明所述的第二种微针生物传感器制造方法的流程图；
图3为本发明所述的第三种微针生物传感器制造方法的流程图；
图4为本发明所述的第四种微针生物传感器制造方法的流程图；
图5为本发明所述的第五种微针生物传感器制造方法的流程图；
图6为本发明第一种所述的微针生物传感器部分立体图的结构示意图；
图7为本发明第二种所述的微针生物传感器部分立体图的结构示意图；
图8为本发明第三种所述的微针生物传感器部分立体图的结构示意图；
图9为图8所示微针生物传感器部分俯视图的结构示意图；
图10为本发明第四种所述的微针生物传感器部分俯视图的结构示意图；
图11为本发明第五种所述的微针生物传感器部分立体图的结构示意图；
图12为本发明第六种所述的微针生物传感器部分立体图的结构示意图；
附图标记说明：
1-衬底；2-工作电极；3-对电极；4-参比电极；5-第一电极；6-微针。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本申请一实施例公开了一种微针生物传感器制造方法，所述微针生物传感器包括微针6和衬底1，所述微针6的一端与所述衬底1连接，所述微针6的外表面设置有工作电极2和第一电极5，所述工作电极2的外表面设置有酶，所述微针生物传感器的外表面包裹生物兼容性薄膜；其中，所述微针生物传感器制造方法包括如下步骤：
S11，同时增材制造所述衬底1和所述微针6；
S12，在所述微针6的外表面喷涂打印工作电极2和第一电极5并固化；
S13，在所述工作电极2的外表面喷涂打印酶并干燥；
S14，使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
具体而言，增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。能够大大减少加工工序，缩短加工周期。
喷涂打印是指液体浆料通过气体等动力从喷头喷出至支持物上的打印方式，本申请实施例是指，液体浆料从喷头喷出至微针6上，液体浆料在微针6上形成工作电极2和第一电极5。
生物传感器的体积较小，喷涂打印时，喷头要距离微针6设定距离，例如喷头在微针6的侧面进行喷涂打印，以保证喷涂打印的效果。具体根据实际打印需求进行。
本申请实施例中的微针生物传感器制造方法，同时增材制造衬底1和微针6，在微针6的外表面喷涂打印工作电极2和第一电极5，在工作电极2的外表面喷涂打印酶，衬底1、微针6、工作电极2、第一电极5、酶和生物兼容性薄膜均采用全打印方法进行制造，具有制造方法简单、价格低、耗时短的优点。
如图2所示，在一实施例中，所述第一电极5包括对电极3和参比电极4，所述微针生物传感器制造方法包括如下步骤：
S21，同时增材制造所述衬底1和所述微针6；
S22，在所述微针6的外表面同时喷涂打印工作电极2和对电极3并固化；
S23，在所述微针6的外表面喷涂打印参比电极4并固化；
S24，在所述工作电极2的外表面喷涂打印酶并干燥；
S25，使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
第一电极5包括对电极3和参比电极4时，工作电极2、对电极3和参比电极4为电化学体系中的部件，也即三电极系统中的部件，能够应用于对疾病的检测，例如检测组织液中的葡萄糖浓度以动态监测糖尿病。
在实际生产中，选择两台打印设备进行打印，第一台设备上喷涂打印工作电极2和对电极3，第二台设备上喷涂打印参比电极4。
步骤S25中，在衬底1、微针6、工作电极2、对电极3、参比电极4和酶的外表面使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成生物兼容性薄膜。
如图3所示，在另一实施例中，所述第一电极5包括对电极3和参比电极4，所述微针生物传感器制造方法包括如下步骤：
S31，同时增材制造所述衬底1和所述微针6；
S32，在所述微针6的外表面喷涂打印参比电极4并固化；
S33，在所述微针6的外表面同时喷涂打印工作电极2和对电极3并固化；
S34，在所述工作电极2的外表面喷涂打印酶并干燥；
S35，使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
在实际生产中，也选择两台打印设备进行打印，第一台设备上喷涂打印参比电极4，第二台设备上喷涂打印工作电极2和对电极3。
综上，在实际生产中，工作电极2和对电极3，以及参比电极4的打印顺序可以做出相应的调整，本申请实施例不做限定。
步骤S35中，在衬底1、微针6、工作电极2、对电极3、参比电极4和酶的外表面使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成生物兼容性薄膜。
如图6和图11所示，在一实施例中，所述微针6至少具有三个，所述工作电极2、所述对电极3和所述参比电极4均与所述微针6一一对应设置。
工作电极2、对电极3和参比电极4均与微针6一一对应设置，例如第一个微针上设置工作电极2，第二个微针上设置对电极3，第三个微针上设置参比电极4。参比电极4、工作电极2和对电极3的数量相同，且依次并排设置。如图6所示，参比电极4、工作电极2和对电极3各设置有两排，每排设置有6个，当然参比电极4、工作电极2和对电极3设置的排数和每排设置的个数可以根据使用需求设置。
如图6所示，微针6为圆锥状结构，如图11所示，微针6为棱锥状结构。
如图8和图9所示，在一实施例中，所述微针6具有一个，为棱锥状结构，所述工作电极2、所述对电极3和所述参比电极4均与所述微针6的面一一对应设置。
微针6为棱锥状结构时，至少具有四个面，其中一个面与衬底1连接，剩下的至少三个面分别打印对应的工作电极2、对电极3和参比电极4。当微针6具有一个时，能够减少创面，降低患者的痛感，并降低微针生物传感器的生产成本。
在一实施例中，使用第一浆料喷涂打印工作电极2，使用第二浆料喷涂打印对电极3，所述第一浆料和所述第二浆料均为纳米金复合材料、或者均为纳米铂复合材料、或者均为纳米碳复合材料。
使用第一浆料喷涂打印工作电极2，使用第二浆料喷涂打印对电极3，且第一浆料和第二浆料均为纳米金复合材料、或者均为纳米铂复合材料、或者均为纳米碳复合材料时，工作电极2和对电极3具有较好的导电性。
在一实施例中，使用第三浆料喷涂打印参比电极4，所述第三浆料为纳米级银/氯化银复合浆料。
第三浆料为纳米级银/氯化银复合浆料，使得参比电极4具有较好导电性。
如图4所示，在一实施例中，微针生物传感器制造方法包括如下步骤；
S41，同时增材制造所述衬底1和所述微针6；
S42，在所述微针6的外表面喷涂打印工作电极2并固化；
S43，在所述微针6的外表面喷涂打印第一电极5，所述第一电极5同时作为参比电极4和对电极3并固化；
S44，在所述工作电极2的外表面喷涂打印酶并干燥；
S45，使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
在实际生产中，选择两台打印设备进行打印，第一台设备上喷涂打印工作电极2，第二台设备上喷涂打印第一电极5。由于第一电极5同时作为参比电极4和对电极3，则工作电极2和第一电极5为电化学体系中的部件，能够应用于对疾病的检测。
步骤S45中，在衬底1、微针6、工作电极2、第一电极5和酶的外表面使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成生物兼容性薄膜。
如图5所示，在另一实施例中，步微针生物传感器制造方法包括如下步骤：
S51，同时增材制造所述衬底1和所述微针6；
S52，在所述微针6的外表面喷涂打印第一电极5，所述第一电极5同时作为参比电极4和对电极3并固化；
S53，在所述微针6的外表面喷涂打印工作电极2并固化；
S54，在所述工作电极2的外表面喷涂打印酶并干燥。
S55，使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
步骤S55中，在衬底1、微针6、工作电极2、第一电极5和酶的外表面使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成生物兼容性薄膜。
如图7和图12所示，在一实施例中，所述微针6至少具有两个，所述工作电极2和所述第一电极5均与所述微针6一一对应设置。
工作电极2和第一电极5均与微针6一一对应设置，例如第一个微针上设置工作电极2，第二个微针6上设置第一电极5。工作电极2和第一电极5的数量相同，且依次并排设置。如图7所示，工作电极2和第一电极5各设置有两排，每排设置有6个，工作电极2和第一电极5设置的排数和每排设置的个数可以根据使用需求设置。
如图7所示，微针6为圆锥状结构，如图12所示，微针6为棱锥状结构。
如图10所示，在一实施例中，所述微针6具有一个，为棱锥状结构，所述工作电极2和所述第一电极5均与所述微针6的面一一对应设置。
微针6为棱锥状结构时，至少具有四个面，其中一个面与衬底1连接，剩下的至少三个面中选择两个面分别打印对应的工作电极2和第一电极5。当微针6具有一个时，能够减少创面，降低患者的痛感，并降低微针生物传感器的生产成本。
如图8至图10所示，微针6为三棱锥状结构，当然，微针6还可以为四棱锥结构等，本申请实施例不做限定。
如图6和图7所示，微针6呈圆锥状结构，以方便插入人体内。
可以理解的是，在实际应用中，微针6还可以为适于插入人体内的其他结构，例如图11和图12所示的棱锥状结构，微针6的排布和数量根据使用需求设置，本发明实施例对此不做限定。
如图1所示，在一实施例中，使用第一浆料喷涂打印工作电极2，使用第三浆料喷涂打印第一电极5。
使用第一浆料喷涂打印工作电极2，使用第三浆料喷涂打印第一电极5，使得工作电极2和第一电极5具有较好的导电性。
如图1所示，在一实施例中，步骤所述同时增材制造所述衬底1和所述微针6中，使用生物兼容性材料。
同时增材制造衬底1和微针6中，使用生物兼容性材料不用担心微针6断在体内对人体产生危害，或是在使用时对人体产生危害。
如图1所示，在一实施例中，所述第一浆料中具有电子媒介体。
电子媒介体是指将酶反应过程中产生的电子从酶反应中心转移到工作电极2表面，使工作电极2产生相应电流变化的分子导电体。本申请实施例中，为工作电极2中具有电子媒介体。
在一实施例中，所述电子媒介体为普鲁士蓝。
普鲁士蓝即亚铁氰化铁，化学式为Fe4[Fe(CN)6]3，是一种配位化合物，具有常温常压下稳定，不溶于水，溶于酸、碱的特性，工作电极2使用普鲁士蓝，使得工作电极2在常温常压也具有稳定的特点。
在另一实施例中，电子媒介体还可以为铁氰化物、醌氢醌等。
如图1所示，在一实施例中，步骤在所述工作电极2的外表面喷涂打印酶中，使用打印酶复合溶液。
酶参与检测，对于不同的使用环境，酶的种类不同，例如，用于糖尿病患者时，酶为葡萄糖氧化酶，身体内组织液中具有葡萄糖，工作过程中，葡萄糖氧化酶催化了葡萄糖和氧气的反应，产生了过氧化氢，过氧化氢在电极上进行了电化学反应，由此得到电信号的变化，由电信号的变化得到组织液中葡萄糖的浓度数据。
可以理解的是，在实际应用中，为了实现不同的功能，微针6可以是实心结构，也可以是空心结构，当微针6为空心结构时，微针6还可以实现注射等功能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种微针生物传感器制造方法，所述微针生物传感器包括微针(6)和衬底(1)，所述微针(6)的一端与所述衬底(1)连接，所述微针(6)的外表面设置有工作电极(2)和第一电极(5)，所述工作电极(2)的外表面设置有酶，所述微针生物传感器的外表面包裹生物兼容性薄膜；其特征在于，所述微针生物传感器制造方法包括如下步骤：
同时增材制造所述衬底(1)和所述微针(6)；
在所述微针(6)的外表面喷涂打印工作电极(2)和第一电极(5)并固化；
在所述工作电极(2)的外表面喷涂打印所述酶并干燥；
使用生物兼容性液体进行喷涂打印并干燥，以形成所述生物兼容性薄膜。
2.根据权利要求1所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，所述第一电极(5)包括对电极(3)和参比电极(4)，步骤所述在所述微针(6)的外表面喷涂打印工作电极(2)和第一电极(5)中还包括如下步骤，
在所述微针(6)的外表面同时喷涂打印工作电极(2)和对电极(3)并固化，
在所述微针(6)的外表面喷涂打印参比电极(4)并固化；或，
在所述微针(6)的外表面喷涂打印参比电极(4)并固化，
在所述微针(6)的外表面同时喷涂打印工作电极(2)和对电极(3)并固化。
3.根据权利要求2所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，所述微针(6)至少具有三个，所述工作电极(2)、所述对电极(3)和所述参比电极(4)均与所述微针(6)一一对应设置。
4.根据权利要求2所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，所述微针(6)具有一个，为棱锥状结构，所述工作电极(2)、所述对电极(3)和所述参比电极(4)均与所述微针(6)的面一一对应设置。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，使用第一浆料喷涂打印工作电极(2)，使用第二浆料喷涂打印对电极(3)，所述第一浆料和所述第二浆料均为纳米金复合材料、或者均为纳米铂复合材料、或者均为纳米碳复合材料。
6.根据权利要求5所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，使用第三浆料喷涂打印参比电极(4)，所述第三浆料为纳米级银/氯化银复合浆料。
7.根据权利要求1所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，步骤所述在所述微针(6)的外表面喷涂打印工作电极(2)和第一电极(5)中包括，
在所述微针(6)的外表面喷涂打印工作电极(2)并固化，
在所述微针(6)的外表面喷涂打印第一电极(5)并固化，所述第一电极(5)同时作为参比电极(4)和对电极(3)；或，
在所述微针(6)的外表面喷涂打印第一电极(5)并固化，
在所述微针(6)的外表面喷涂打印工作电极(2)并固化。
8.根据权利要求7所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，所述微针(6)至少具有两个，所述工作电极(2)和所述第一电极(5)均与所述微针(6)一一对应设置。
9.根据权利要求7所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，所述微针(6)具有一个，为棱锥状结构，所述工作电极(2)和所述第一电极(5)均与所述微针(6)的面一一对应设置。
10.根据权利要求7所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，
使用第一浆料喷涂打印工作电极(2)，使用第三浆料喷涂打印第一电极(5)。
11.根据权利要求5所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，所述第一浆料中具有电子媒介体。
12.根据权利要求1所述的微针生物传感器制造方法，其特征在于，步骤在所述工作电极(2)的外表面喷涂打印酶中，使用打印酶复合溶液。
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