CN114047234A - 基于碳管/Mxenes的标志物检测装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置及其制备方法，检测装置包括包括导管、设置于导管内的导线、与所述导管的一端管口密封贴合的探针衬底、设置于所述探针衬底的第一端面的探针阵列，所述导线用于连接所述探针阵列及外部设备，所述探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物。本发明实施例可实现微创、快速、原位及多功能的标志物检测，可广泛应用于生物检测领域。

Description

基于碳管/Mxenes的标志物检测装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物检测领域，尤其涉及一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置及其制备方法。
背景技术
随着先进诊断和治疗手段的不断增多，微创手术被应用于健康状况、癌症、心血管疾病和泌尿系统疾病的诊断和治疗中。腔镜导管是最有说服力的代表之一，它可以记录手术过程中的基本生物信息。然而，目前腔镜内能检测的项目是非常有限，并且有限的检测类型需要插入多个带不同检测物镜头的导管；一些重要生物标志物必须通过活检进行检测，不能满足实时、原位检测的要求；常规的酶电子介体多基于普鲁士蓝等小分子物质，这类小分子介体具有一定的生物安全隐患而不适合应用于体内。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置及其制备方法，能够实现微创、快速、原位及多功能的标志物检测。
MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置，包括导管、设置于导管内的导线、与所述导管的一端管口密封贴合的探针衬底、设置于所述探针衬底的第一端面的探针阵列，所述导线用于连接所述探针阵列及外部设备，所述探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物。
可选地，所述检测装置还包括弹性单元，所述弹性单元的第一端面固定连接所述探针衬底的第二端面，所述弹性单元的第二端面固定连接推送模块。
可选地，所述检测装置还包括设置于所述导管内的药物释放单元，所述药物释放单元包括空心探针和微流导管，所述空心探针设置于所述探针衬底的第一端面，所述微流导管的一端固定连接所述空心探针。
可选地，所述检测装置还包括设置于所述导管内的电刺激电极，所述电刺激电极包括电极和导线，所述导线的一端固定连接所述电极。
可选地，所述探针阵列的类型包括实心探针、空心探针、包衣探针或可溶性探针中的一种或多种。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置的制备方法，包括：
制备探针阵列，并在所述探针阵列的表面或内部修饰含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物；
将所述探针阵列设置于探针衬底的第一端面；
将导线通过导管内部后与所述探针阵列连接；
将所述探针衬底密封贴合在所述导管的一端管口。
可选地，所述碳管/Mxenes复合材料的制备方法如下：
将碳管和Mxenes按照预设含量溶于水或有机溶液中，并充分混合。
可选地，所述探针阵列的实心探针和空心探针，当所述探针阵列为空心探针，所述空心探针的制备方法如下：
通过3D打印高分子材料获得空心探针。
可选地，所述探针阵列的实心探针和空心探针，当所述探针阵列为实心探针，所述实心探针的制备方法如下：
通过激光切割金属材料获得实心探针。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的碳管/Mxenes复合材料具有良好的生物相容性、较好的导电性、较高的比表面积且具有电子介体的功能，探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物；通过导管作为载体，在不损伤机体的前提下将探针阵列送到待检测部位，探针阵列借助探针的穿透性进入黏膜组织检测标志物；从而实现微创、快速及多功能的标志物检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种探针修饰不同材料检测葡萄糖的结果显示图；
图3是本发明实施例提供的几种不同修饰材料和不同传感器件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置的制备方法的步骤流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种修饰有碳管/Mxene复合材料的探针的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置用于检测器官内标志物的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
本发明实施例提供了一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置，包括导管、设置于导管内的导线、与所述导管的一端管口密封贴合的探针衬底、设置于所述探针衬底的第一端面的探针阵列，所述导线用于连接所述探针阵列及外部设备，所述探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物。
检测装置的工作原理如下：将修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物的探针阵列穿透皮肤或粘膜后，检测敏感物与待测物充分接触后，探针阵列检测的电信号通过导线传输给外部设备进行处理或显示等。
可选地，所述检测装置还包括弹性单元，所述弹性单元的第一端面固定连接所述探针衬底的第二端面，所述弹性单元的第二端面固定连接推送模块。
本领域技术人员可以理解的是，探针进入黏膜需要一个动力，动力可以从手动推入获取，但手动推入在软管内或身体深处则难以实现，且实现完全靠人为手动给力，可操作性不强。弹性单元可以实现精准施力插破黏膜或皮肤，弹性单元可以是自制弹簧单元、纯机械单元或气体推动单元。
弹性单元与探针衬底的连接主要依靠胶水粘黏贴合，胶水的力学性能不够稳定，容易在多次施力后脱落；因此，弹力单元与探针衬底可采用更加稳定的机械结合方式提高系统的稳定性。
可选地，所述检测装置还包括设置于所述导管内的药物释放单元，所述药物释放单元包括空心探针和微流导管，所述空心探针设置于所述探针衬底的第一端面，所述微流导管的一端固定连接所述空心探针。
需要说明的是，当检测装置到某种信号后，可能需要进行给药治疗，则可以通过药物释放单元进行给药，方便、快捷且时效性好。
可选地，所述检测装置还包括设置于所述导管内的电刺激电极，所述电刺激电极包括电极和导线，所述导线的一端固定连接所述电极。
需要说明的是，当检测装置到某种信号后，可能需要进行电疗，若检测到肿瘤类物质，可以通过电刺激电极进行电疗。
需要说明的是，导线可以采用焊接集成或捆绑整束通过导管，微流管道以采用捆绑整束通过导管。
可选地，所述探针阵列的类型包括实心探针、空心探针、包衣探针或可溶性探针中的一种或多种。
具体地，如图1(a)所示，微创手术导管1-1内部包含导线或微流管道1-2，微创手术导管1-1的一端设有不同功能的微针阵列1-3；如图1(b)所示，不同功能的微针阵列1-3的局部放大图包括探针阵列1-4、探针衬底1-5及弹性单元1-6；如图1(c)所示，探针阵列1-4包括修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物的探针1-7、空心探针1-8、包衣探针1-9及可溶性探针1-10。
在进行生理指标检测时，需要检测的物质准确度较高，准确度为X±10％。图2(a)为不锈钢探针修饰不同材料后，再修饰葡萄糖氧化酶并检测葡萄糖的结果，从图2(a)的检查结果可知，相比于无修饰或修饰有碳管的探针，修饰有碳管/Mxene的探针的检测性能具有显著提升。图2(b)为修饰有普鲁士蓝/葡萄糖氧化酶修饰的金探针测量葡萄糖的结果显示，图2(c)为修饰有碳管/Mxene/葡萄糖氧化酶修饰的金探针测量葡萄糖的结果显示，根据图2(b)及图2(c)的测量结果可知，经碳管/MXene材料修饰过的同种探针，性能比现在常用的普鲁士蓝小分子更好，也说明了碳管/MXene材料可以在传感性能方面代替生物相容性更差的普鲁士蓝电子介体材料。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的碳管/Mxenes复合材料具有良好的生物相容性、较好的导电性、较高的比表面积且具有电子介体的功能，探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物；通过导管作为载体，在不损伤机体的前提下将探针阵列送到待检测部位，探针阵列借助探针的穿透性进入黏膜组织检测标志物；从而实现微创、快速及多功能的标志物检测。
下面以几个具体实施例进行说明。
实施例一
如图3(a)所示，2-1表示微创手术导管，2-2表示弹性单元，2-3表示导线或微流管道，2-4表示导管顶端的平面生化传感器，2-6表示含多种生化指标物质的皮肤或粘膜；弹性单元2-2和导线或微流管道2-3设置于微创手术导管2-1中，导线或微流管道2-3通过弹性单元2-2与平面生化传感器2-4连接。将该传感器件伸入待测器官(如膀胱)部位，并将平面生化传感器2-4与皮肤或粘膜2-6表面接触，由于平面生化传感器2-4很难插破皮肤或粘膜2-6，平面生化传感器2-4上的传感敏感材料与皮肤或粘膜2-6下的待测物未充分接触，因此不能准确获得待测皮肤或粘膜2-6下的生化指标，更不能同时检测多种生化指标。
实施例二
如图3(b)所示，3-1表示微创手术导管，3-2表示弹性单元，3-3表示导线或微流管道，3-5表示导管顶端的传感器阵列，3-6表示含多种生化指标物质的皮肤或粘膜，3-7表示普鲁士蓝或其它传统材料的传感材料层；弹性单元3-2和导线或微流管道3-3设置于微创手术导管3-1中，导线或微流管道3-3通过弹性单元3-2与传感器阵列3-5连接。将该传感器件伸入待测器官(如膀胱)部位，并将传感器阵列3-5插入皮肤或粘膜3-6中，由于传感材料层3-7与待测物接触充分，因此能较准确获得待测皮肤或粘膜3-6下的该生化指标，但不能同时检测多种生化指标。另外，由于普鲁士蓝等小分子的生物相容性差，因此该肌体破损处会产生一定副作用。
实施例三
如图3(c)所示，4-1表示微创手术导管，4-2表示弹性单元，4-3表示导线或微流管道，4-5表示导管顶端的传感器阵列，4-6表示含多种生化指标物质的皮肤或粘膜，4-8表示基于碳管/Mxenes复合材料离子型传感材料层，4-9表示基于碳管/Mxenes复合材料催化剂型传感材料层，4-10表示基于碳管/Mxenes复合材料生物酶型传感材料层，4-11表示基于碳管/Mxenes复合材料其它机制的传感材料层；弹性单元4-2和导线或微流管道4-3设置于微创手术导管4-1中，导线或微流管道4-3通过弹性单元4-2与传感器阵列4-5连接。将该传感器件伸入待测器官(如膀胱)部位，并将传感器阵列4-5插入皮肤或粘膜4-6中，由于传感材料层(4-8、4-9、4-10或4-11)与待测物接触充分，因此能较准确获得待测皮肤或粘膜4-6下的多种生化指标，且该器件能同时检测多种生化指标。另外，由于碳类材料的生物相容性良好，且该破损处面积较小，因此对肌体产生的副作用可忽略不计。
可选地，探针阵列均采取3D打印技术打印红蜡材料获得，所有探针均为空心探针，传感部分的导线由金线制成；在探针的800um部分修饰碳管/MXene，再修饰Pt-葡萄糖酶以检测葡萄糖，葡萄糖酶位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。空心探针可直接通过导线进行测试传感，或通过导管进行给药。
可选地，探针阵列均采取3D打印技术打印红蜡材料获得，所有探针均为空心探针，传感部分的导线由金线制成；在探针的800um部分修饰碳管/MXene，再修饰Pt-尿酸酶以检测尿酸，尿酸酶位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。空心探针可直接通过导线进行测试传感，或通过导管进行给药。
可选地，探针阵列均采取3D打印技术打印红蜡材料获得，所有探针均为空心探针，传感部分的导线由金线制成；在探针的800um部分修饰碳管/MXene，再修饰Ca离子膜以检测Ca离子，Ca离子膜位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。空心探针可直接通过导线进行测试传感，或通过导管进行给药。
可选地，探针阵列均采取3D打印技术打印红蜡材料获得，所有探针均为空心探针，传感部分的导线由金线制成；在探针的800um部分修饰碳管/MXene，再修饰K离子膜以检测K离子，K离子膜位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。空心探针可直接通过导线进行测试传感，或通过导管进行给药。
可选地，探针阵列均采取3D打印技术打印红蜡材料获得，所有探针均为空心探针，传感部分的导线由金线制成；在探针的800um部分修饰碳管/MXene，再修饰Na离子膜以检测Na离子，Na离子膜位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。空心探针可直接通过导线进行测试传感，或通过导管进行给药。
可选地，探针阵列均采取3D打印技术打印红蜡材料获得，所有探针均为空心探针，传感部分的导线由金线制成；在探针的800um部分修饰碳管/MXene，再修饰pH离子膜以检测pH离子，pH离子膜位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。空心探针可直接通过导线进行测试传感，或通过导管进行给药。
如图4所示，本发明实施例提供了一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置的制备方法，包括：
S100、制备探针阵列，并在所述探针阵列的表面或内部修饰含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物。
具体地，探针阵列可通过微加工的方法制备金属探针或者高分子探针阵列，也可以通过3D打印树脂或红蜡等多种形态的高分子绝缘探针。通过在探针表面或者空心探针内部修饰含碳管/Mxenes复合材料的多种检测敏感物，构建具有多功能的传感阵列。
例如：探针阵列均由3D打印得来，所有探针均采用空心探针的形式由红蜡材料构成，传感部分导电线为金线制成，尖端800um部分先修饰一层碳管/Mxenes复合材料，如图5所示，再在该复合材料上修饰葡萄糖酶、尿酸酶、钙离子膜、乳糖酶等检测物质，检测物质位于空心探针内部，通过空心探针穿透黏膜后与组织液接触，金线其余部分进行绝缘与外部连接。图5中，1表示探针，2表示修饰在探针表面的碳管/Mxene复合材料，3表示块状的Mxene材料，4表示线状的碳管材料。在尖端800um部分先修饰一层碳管/Mxene复合材料的原因在于：人体皮肤厚度一般为500um-4000um之间，皮肤分表皮和真皮两层，表皮层没有神经和血管，厚度为70um-1200um，为保证探针尖端插入皮/黏膜下，又尽量不插入过深触碰神经和血管引起疼痛和流血，因此，传感探头部分一般根据测量位置皮层厚度，长度会控制在300-1000um。
S200、将所述探针阵列设置于探针衬底的第一端面。
具体地，探针衬底为PI(Polyimide，聚酰亚胺)衬底或者其他高分子绝缘衬底。
S300、将导线通过导管内部后与所述探针阵列连接。
具体地，每一根探针都具有独立的传感功能，因此每一个单独功能探针的导电功能部位均有导线与之相连，导线与探针的连接采用焊接或者银浆连接的方式，连接点采用派瑞林或者强力胶封装固定。
当检测装置还包括弹性单元时，在医用微创手术导管管口探针加入一个弹性单元，如气压球或弹簧等，该弹性单元的一端需与探针阵列衬底固定相连。由于探针阵列的导线需要通过导管伸出，因此，该弹性单元在固定前需要预留出一定位置用于通过走线。
当检测装置还包括药物释放单元时，药物释放单元采用空心探针，每一个空心给药探针的内部均有一个微流管道与之固定，微流管道与空心探针直接采用强力胶封装固定露出微流管口即可。
当检测装置还包括电刺激电极时，每一个单独电刺激电极的导电功能部位均有导线与之相连，导线与电刺激电极的连接采用焊接或者银浆连接的方式，连接点采用派瑞林或者强力胶封装固定。
S400、将所述探针衬底密封贴合在所述导管的一端管口。
具体地，将集成的探针阵列衬与手术导管贴合：先将导线和微流管道置于手术导管内部，走线从弹性单元预留的通道伸出并固定，探针阵列衬底与弹性单元通过强力胶粘合固定，再与手术管道的管壁进行封装黏合(可采用PDMS等生物相容性较好，且韧性良好的材料封装)，保证管道与探针衬底的良好贴合和气密性。最后将伸出手术导管外部的导线和微流管道与外部商用仪器相连，并配合腔镜使用即可，利用腔镜可将器件送入待测部位。如图6所示，6-1表示某种窥镜，6-2表示含多参数探针的微介入导管，6-3表示与窥镜联合使用的检测装置，6-4表示人体器官，如膀胱，通过窥镜6-1将检测装置6-3的含多参数探针的微介入导管6-2送入到膀胱6-4进行尿酸的检测。
可选地，所述碳管/Mxenes复合材料的制备方法如下：
将碳管和Mxenes按照预设含量溶于水或有机溶液中，并充分混合。
具体地，碳管/MXene具体的制备方法：碳管/MXene混合液的溶剂为水或IPA(异丙醇)等有机溶剂均可，用移液枪分别吸取一定量的碳管溶液和MXene溶液置于容器中，充分混合，配成的混合液中碳管的含量为1％-5％，MXene含量为0.5％-4％。
可选地，所述探针阵列的实心探针和空心探针，当所述探针阵列为空心探针，所述空心探针的制备方法如下：
通过3D打印高分子材料获得空心探针。其中，高分子材料包括树脂或红蜡等材料。
可选地，所述探针阵列的实心探针和空心探针，当所述探针阵列为实心探针，所述实心探针的制备方法如下：
通过激光切割金属材料获得实心探针。
具体地，当探针阵列为实心探针时，如由激光切割制备的金属探针，该金属探针直接焊接于PI衬底或者其他高分子绝缘衬底上，由于PI衬底可以直接由微加工制备多条独立走线且为柔性，因此可以直接分别连通每个实心金属探针和外部电路。通过分别在探针表面修饰含碳管/Mxenes复合材料的多种检测敏感物，构建具有多功能的传感阵列。给药释放单元可以单独利用金属空心针头焊接于PI衬底的给药孔，药物通过外部引入微管连通PI给药孔。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的碳管/Mxenes复合材料具有良好的生物相容性、较好的导电性、较高的比表面积且具有电子介体的功能，探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物；通过导管作为载体，在不损伤机体的前提下将探针阵列送到待检测部位，探针阵列借助探针的穿透性进入黏膜组织检测标志物；从而实现微创、快速及多功能的标志物检测。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置，其特征在于，包括导管、设置于导管内的导线、与所述导管的一端管口密封贴合的探针衬底、设置于所述探针衬底的第一端面的探针阵列，所述导线用于连接所述探针阵列及外部设备，所述探针阵列修饰有含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括弹性单元，所述弹性单元的第一端面固定连接所述探针衬底的第二端面，所述弹性单元的第二端面固定连接推送模块。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括设置于所述导管内的药物释放单元，所述药物释放单元包括空心探针和微流导管，所述空心探针设置于所述探针衬底的第一端面，所述微流导管的一端固定连接所述空心探针。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括设置于所述导管内的电刺激电极，所述电刺激电极包括电极和导线，所述导线的一端固定连接所述电极。
5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述探针阵列的类型包括实心探针、空心探针、包衣探针或可溶性探针中的一种或多种。
6.一种基于碳管/Mxenes的标志物检测装置的制备方法，其特征在于，包括：
制备探针阵列，并在所述探针阵列的表面或内部修饰含碳管/Mxenes复合材料的检测敏感物；
将所述探针阵列设置于探针衬底的第一端面；
将导线通过导管内部后与所述探针阵列连接；
将所述探针衬底密封贴合在所述导管的一端管口。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳管/Mxenes复合材料的制备方法如下：
将碳管和Mxenes按照预设含量溶于水或有机溶液中，并充分混合。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述探针阵列的实心探针和空心探针，当所述探针阵列为空心探针，所述空心探针的制备方法如下：
通过3D打印高分子材料获得空心探针。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述探针阵列的实心探针和空心探针，当所述探针阵列为实心探针，所述实心探针的制备方法如下：
通过激光切割金属材料获得实心探针。
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