CN117631135B - 一种双功能柔性水凝胶光纤及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种双功能柔性水凝胶光纤及其制备方法和应用；所述水凝胶光纤是由纤芯、中间纤层和包层所形成的三层同轴光纤结构；纤芯的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2‑羟基乙酯和2,2‑二甲氧基‑苯基苯乙酮；中间纤层的原料包括聚球藻细胞、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰化明胶、无水氯化锶和2,2‑二甲氧基‑苯基苯乙酮；包层的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、海藻酸钠和2,2‑二甲氧基‑苯基苯乙酮；通过该光纤结构可以配合氧传感器实现实时检测脑组织不同区域氧含量的同时还具有持续可控直接供氧功能。
Description
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种双功能柔性水凝胶光纤及其制备方法和应用。
背景技术
脑部病变或颅脑外伤等引发的脑缺氧（cerebral hypoxia）会使脑组织出现不同程度的功能障碍，进而发生不可逆转的损伤，严重危害人类健康；因而对脑组织氧含量进行实时监测并及时适量供氧，是减少患者脑组织损伤和发生及预防神经系统并发症的有效治疗手段。目前用于人体组织检测的光学氧传感器主要有穿戴式、注射式、植入式和介入式等。而近年来光纤光化学传感器因其高灵敏度、高选择性等特点逐渐受到关注，在光纤一端涂抹荧光探针，可以根据荧光强度变化或者荧光寿命的变化程度可以确定脑组织内氧含量。由于该荧光化学传感器不消耗待测物质，同时具有选择性高、反应灵敏的优点，一次校准后可长时间连续使用，但是常用的光纤材料由玻璃或塑料制成，极易对脑组织造成伤害，并且其尺寸较大、机械性能不适用于柔性脑组织的长期使用。因此如何构建柔性光纤光化学氧传感器对于实现不同区域脑组织内氧含量的持续实时检测具有重要意义。
临床上为脑组织供氧常用的方法包括吸氧、插管、呼吸机、高压氧仓等，但是这些方法都需要利用人体肺部进行气体交换，不仅过程复杂、价格昂贵，而且不适用于呼吸道损伤患者。虽然现阶段液体供氧法（静脉滴注）可以迅速改善人体缺氧症状，但是该方法不适用于脑供血机能受损患者，并且难以实现特定区域的氧供应。而由于活性生物氧载体一般具有高生物相容性，因此适用于体内持续直接供，同时最近的研究发现光合细胞是一种理想的活性释氧载体，且现有研究证明了光合细胞能够持续为心脏细胞供氧，这有利于治疗由心肌缺血引起的冠状动脉等疾病。虽然有研究证实了光合细胞的植入不会影响心脏细胞本身的活性，但该方法需要在体内植入一个光源。因此目前实现持续可控直接释氧的难点在于如何解决光源问题并保证产氧生物的稳定性。
由于临床上脑组织氧含量的检测和供氧过程是独立的，且目前检测脑组织氧含量的传感器仅具有单一的测氧功能，难以对检测的脑组织病灶及时供氧，同时常规的血液供氧方法并不适用于脑供血不足或供血机能受损患者。因此开发兼具实时检测脑组织不同区域氧含量和持续可控直接供氧的新型氧传感器，对于脑组织缺氧相关疾病的临床诊疗具有重要意义。
发明内容
本申请提供了一种双功能柔性水凝胶光纤及其制备方法和应用，以解决现有技术中目前氧传感器难以兼具实时检测脑组织不同区域氧含量和持续可控直接供氧功能的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种双功能柔性水凝胶光纤，所述水凝胶光纤是由纤芯、中间纤层和包层所形成的三层同轴光纤结构；其中，所述纤芯的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述中间纤层的原料包括聚球藻细胞、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰化明胶、无水氯化锶和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述包层的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、海藻酸钠和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮。
可选的，以质量分数计，所述纤芯的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～40%，甲基丙烯酰胺：30%～50%，甲基丙烯酸2-羟基乙酯：10%～40%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
可选的，以质量分数计，所述中间纤层的原料包括：聚球藻细胞：0.3%～3%，聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～30%，甲基丙烯酰化明胶：10%～50%，无水氯化锶：0.5%～3%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
可选的，以质量分数计，所述包层的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～30%，甲基丙烯酰胺：5%～20%，海藻酸钠：1%～2%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
可选的，所述纤芯、所述中间纤层和所述包层的厚度比为1～3:1～3:1～3。
第二方面，本申请提供了一种制备第一方面所述的水凝胶光纤的方法，所述方法包括：
分别混合纤芯的原料、中间纤层的原料和包层的原料，得到纤芯凝胶液、中间纤层凝胶液和包层凝胶液；
采用三层同轴针头对所述纤芯凝胶液、中间纤层凝胶液和包层凝胶液进行三同轴3D生物打印，得到水凝胶光纤。
第三方面，本申请提供了一种双功能柔性水凝胶光纤传感器，所述光纤传感器包括第一方面所述的水凝胶光纤，以及连接于所述水凝胶光纤一端的氧传感膜。
第四方面，本申请提供了一种制备第三方面所述的光纤传感器的方法，所述方法包括：
使所述氧传感膜和所述水凝胶光纤的尖端进行紫外光交联，得到光纤传感器；其中，所述传感器膜的原料为聚二甲基硅氧烷负载铂八乙基卟啉。
第五方面，本申请提供了一种氧含量实时检测系统，所述实时检测系统包括荧光检测装置和第三方面所述的光纤传感器，所述荧光检测装置固定连接光纤传感器。
可选的，所述荧光检测装置包括分光器、光源和光谱仪；
所述分光器包括第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口连通所述光源，以实现绿光源或红光源的激发；
所述第二接口连接所述光谱仪，以检测发射光强度；
所述第三接口连接所述光纤传感器。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的一种双功能柔性水凝胶光纤，通过设计包括纤芯、中间纤层和包层的三层同轴光纤结构，并限定纤芯包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮，中间纤层包括聚球藻细胞、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰化明胶、无水氯化锶和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮，以及包层包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、海藻酸钠和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮，通过在中间纤层引入球藻细胞这类光合细胞并结合无水氯化锶，可以使得中间纤层形成光合释氧系统，同时纤芯可以作为传感系统，因此通过上述的结构和各层配方，可以在统一水凝胶光纤内同时且独立的形成传感系统和光合释氧系统，而传感系统和释氧系统对彼此所需的光源敏感度低，因此可以减少使用过程中相互影响因素，而通过该光纤结构可以配合氧传感器实现实时检测脑组织不同区域氧含量的同时还具有持续可控直接供氧功能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的一种双功能柔性水凝胶光纤的结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的制备水凝胶光纤的方法流程示意图；
图3为本申请实施例提供的三层同轴针头的结构示意图，其中，图3A为三层同轴针头的俯视图，图3B为三层同轴针头的正视图；
图4为本申请实施例2提供的制备光纤传感器的方法流程示意图；
图5为本申请实施例2提供的制备光纤传感器的详细方法流程示意图；
图6为本申请实施例3提供的氧含量实时检测系统的结构和应用示意图，其中，图6A为氧含量实时检测系统在小鼠上的应用实例，图6B为氧含量实时检测系统的结构示意图；
图7为本申请实施例1提供的水凝胶光纤各层横截面结构的示意图；
图8为本申请实施例1提供的水凝胶光纤中单独共聚焦中间纤层的3D示意图；
图9为本申请实施例1提供的水凝胶光纤中单独共聚焦中间纤层的俯视图；
图10为本申请实施例2提供的光纤传感器中聚球藻细胞的测量结果图，其中，图10A为光纤传感器中聚球藻细胞在40×107个/mL浓度下的氧气释放结果图，图10B为光纤传感器中聚球藻细胞在80×107个/mL浓度下的氧气释放结果图，图10C为光纤传感器中聚球藻细胞在120×107个/mL浓度下的氧气释放结果图，图10D为光纤传感器中聚球藻细胞在160×107个/mL浓度下的氧气释放结果图，图10E为光纤传感器中聚球藻细胞在200×107个/mL浓度下的氧气释放结果图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请的创造性思维为：目前用于人体组织检测的光学氧传感器主要有穿戴式、注射式、植入式和介入式等，其中，穿戴式传感器能够利用柔性材料，在外源光的作用下，通过皮肤组织以无创方式快速检测人体组织中的氧含量，有研究表明大脑皮质的氧含量随着深度的增加而降低，但是穿戴式传感器受目标生物组织深度的限制，仅适用于浅层组织的氧含量检测，这使得外源光在人体组织内无法精确定位；
注射式传感器是将含有荧光/磷光氧探针的柔性传感器注射于目标生物组织中，利用体外光源及体外无线检测设备，实现人体组织中氧含量的测定；虽然该方法能够在组织中实现精准定位，但是该检测依赖于外源光直接照射人体组织，而根据朗伯-比尔定律大部分外源光会被人体组织散射或吸收，从而影响光学检测的准确性，并且长时间或高强度的光辐射易损伤皮肤组织，从而产生副作用。有研究报道，如果将光源、图像处理器和荧光探针组装为一体，能够构建植入式传感器，且该传感器通过在体内提供光源，实现深层生物组织中的实时检测。但是植入式传感器的安全性以及二次手术等问题仍具有挑战，尤其是针对脑组织的长期检测中，因此注射式和植入式传感器不适用于脑组织的长期检测；
介入式传感器主要是利用光纤技术将传感器以微创的方式插入组织内，并在体外将光信号传输到组织内，实现体内氧含量的检测；而光纤氧传感器是目前用于检测深层组织氧含量常用的传感器之一，并且使用后易于快速回收，有效避免二次手术引发的风险。例如Licox®脑组织氧分压监测仪，该监测仪是一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器产品，采用 Clark 溶氧电极技术，使用时容易受其他气体和溶剂等的干扰。
而近年来光纤光化学传感器因其高灵敏度、高选择性等特点逐渐受到关注，在光纤一端涂抹荧光探针，可以根据荧光强度变化或者荧光寿命的变化程度可以确定脑组织内氧含量。由于该荧光化学传感器不消耗待测物质，同时具有选择性高、反应灵敏的优点，一次校准后可长时间连续使用，但是常用的光纤材料由玻璃或塑料制成，极易对脑组织造成伤害，并且其尺寸较大、机械性能不适用于柔性脑组织的长期使用。因此如何构建柔性光纤光化学氧传感器对于实现不同区域脑组织内氧含量的持续实时检测具有重要意义。
如图1所示，本申请实施例提供一种双功能柔性水凝胶光纤，所述水凝胶光纤是由纤芯、中间纤层和包层所形成的三层同轴光纤结构；其中，所述纤芯的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述中间纤层的原料包括聚球藻细胞、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰化明胶、无水氯化锶和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述包层的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、海藻酸钠和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮。
在一些可选的实施方式中，以质量分数计，所述纤芯的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～40%，甲基丙烯酰胺：30%～50%，甲基丙烯酸2-羟基乙酯：10%～40%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
本申请实施例中，限定甲基丙烯酰胺的具体质量分数，在该质量分数范围内，可以降低甲基丙烯酰胺对聚球藻细胞毒性。
限定甲基丙烯酸2-羟基乙酯的具体质量分数，在该质量分数范围内，甲基丙烯酸2-羟基乙酯可以增强水凝胶光纤力学性能和柔韧度。
综上所述，限定纤芯的具体原料，可以使得纤芯具有良好的信号传递功能，同时采用2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮作为光引发剂，使得该纤芯和氧传感膜之间可以形成光纤传感器，并组成传感系统，可以对脑组织的氧含量进行实时检测。
在一些可选的实施方式中，以质量分数计，所述中间纤层的原料包括：聚球藻细胞：0.3%～3%，聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～30%，甲基丙烯酰化明胶：10%～50%，无水氯化锶：0.5%～3%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
本申请实施例中，限定聚球藻细胞的具体质量分数，在该质量分数范围内，聚球藻细胞可以在水凝胶光纤内迅速进行光合作用释放氧气。
限定聚乙二醇二丙烯酸酯的具体质量分数，在该质量分数范围内，聚乙二醇二丙烯酸酯可以增强水凝胶光纤力学性能。
限定甲基丙烯酰胺的具体质量分数，在该质量分数范围内，可以降低甲基丙烯酰胺对聚球藻细胞的毒性。
限定甲基丙烯酰化明胶的具体质量分数，在该质量分数范围内，甲基丙烯酰化明胶具有良好的生物相容性。
限定无水氯化锶的具体质量分数，在该质量分数范围内，无水氯化锶可以增加各材料与海藻酸钠离子交联，并增加水凝胶光纤力学性能，同时降低折光率。
限定2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮的具体质量分数，在该质量分数范围内，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮可以引发自由基交联，以促使水凝胶光纤成型。
综上所述，限定中间纤层的具体原料，通过引入聚球藻细胞这类光合细胞，配合无水氯化锶、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰化明胶和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮，可以使得聚球藻细胞固定在中间纤层内，并使得聚球藻细胞可以保持长期生物活性，通过光暗时间和光照强度控制可以控制聚球藻细胞的光合释氧过程，从而实现中间纤层的持续可控释氧功能，进而在光纤内形成光合释氧系统。
需要说明的是，该聚球藻细胞可以是中国科学院藻种库聚球藻706。
在一些可选的实施方式中，以质量分数计，所述包层的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～30%，甲基丙烯酰胺：5%～20%，海藻酸钠：1%～2%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
本申请实施例中，限定包层的具体原料，通过引入海藻酸钠成分，可以使得包层具有良好的生物相容性和亲水性，而该亲水性能够长期保持光合细胞的活性，并能使光合释氧系统中氧分子自由传输。
在一些可选的实施方式中，所述纤芯、所述中间纤层和所述包层的厚度比为1～3:1～3:1～3。
本申请实施例中，限定纤芯、中间纤层和包层的具体厚度比，可以通过该厚度比使得纤芯具有良好的信号传递效果，同时还能使得中间纤层具有良好的光合释氧的效果，从而可以配合氧传感器实现实时检测脑组织不同区域氧含量的同时还具有持续可控直接供氧功能。
如图2所示，基于一个总的发明构思，本申请实施例提供了一种制备所述水凝胶光纤的方法，所述方法包括：
S1.分别混合纤芯的原料、中间纤层的原料和包层的原料，得到纤芯凝胶液、中间纤层凝胶液和包层凝胶液；
S2.采用三层同轴针头对所述纤芯凝胶液、中间纤层凝胶液和包层凝胶液进行三同轴3D生物打印，得到水凝胶光纤。
该这方法是针对上述水凝胶光纤的制备方法，该水凝胶光纤的具体结构和组成可参照上述实施例，由于该方法采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
需要说明的是，该三层同轴针头具体结构如图3所示，采用12 G针头作为纤芯通道、10G针头作为中间纤芯通道、8G的枪头作为包层通道，从可以得到三层同轴光纤结构。
基于一个总的发明构思，本申请实施例提供了一种双功能柔性水凝胶光纤传感器，所述光纤传感器包括所述水凝胶光纤，以及连接于所述水凝胶光纤一端的氧传感膜。
该水凝胶光纤传感器是基于上述水凝胶光纤来实现，该水凝胶光纤的具体结构和组成可参照上述实施例，由于该水凝胶光纤传感器采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
如图4所示，基于一个总的发明构思，本申请实施例提供了一种制备所述光纤传感器的方法，所述方法包括：
S1.使所述氧传感膜和所述水凝胶光纤的尖端进行紫外光交联，得到光纤传感器。
该方法是针对上述光纤传感器的制备方法，该光纤传感器的具体组成可参照上述实施例，由于该方法采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
需要说明的是，氧传感膜的原料可以是聚二甲基硅氧烷负载铂八乙基卟啉，也可是其他常用的氧传感膜材料。
需要说明的是，在一些可选的实施方式中，如图5所示，所述使所述氧传感膜和所述水凝胶光纤的尖端进行紫外光交联，得到光纤传感器，包括步骤：
S101.溶解铂(II)八乙基卟啉于四氢呋喃中，后与二甲基硅氧烷进行混合，得到胶液；
S102.使胶液均匀旋涂于载玻片上，后进行烘干和过夜，得到氧传感膜；
S103.使所述氧传感膜通过紫外光交联固载于所述水凝胶光纤的尖端，得到光纤传感器。
细化紫外光联的具体方式，并采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）负载铂(II)八乙基卟啉（PtOEP）作为氧传感膜，可以对脑组织的氧含量进行实时且准确的检测。
如图6所示，基于一个总的发明构思，本申请实施例提供了一种氧含量实时检测系统，所述实时检测系统包括荧光检测装置和所述光纤传感器，所述荧光检测装置固定连接光纤传感器。
该氧含量实时检测系统是基于上述光纤传感器来实现，该光纤传感器的具体结构可参照上述实施例，由于该氧含量实时检测系统采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
在一些可选的实施方式中，所述荧光检测装置包括分光器、光源和光谱仪；
所述分光器包括第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口连通所述光源，以实现绿光源或红光源的激发；
所述第二接口连接所述光谱仪，以检测发射光强度；
所述第三接口连接所述光纤传感器。
本申请实施例中，利用荧光检测装置中光源的变化，可以控制氧气的释放以及对组织内氧含量的检测，具体过程为：
当采用绿光源（532nm），可激发固载于水凝胶光纤尖端的氧探针（氧传感膜），同时分光器5在体外收集光信号，实现组织内氧含量的检测；
当采用红光源（635nm），调节光源4实现对聚球藻细胞光合释氧过程的调控，同时水凝胶会保持光合细胞的活性和释氧能力，实现组织内持续供氧。
通过引入常见的智能控制模块，该检测系统可以在检测到低于预定阈值的水平时补充溶解氧水平，同时可以使用人工智能调制光信号，调整光源和波长以实现对溶解氧水平变化的最佳检测和响应。
下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
实施例1
制备水凝胶光纤的方法，包括：
如图6所示，采用纤芯的原料：聚乙二醇二丙烯酸酯：25%，甲基丙烯酰胺：40%，甲基丙烯酸2-羟基乙酯：30%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：1.0%，超纯水：4%；
中间纤层的原料：聚球藻细胞：2%，聚乙二醇二丙烯酸酯：20%，甲基丙烯酰化明胶：30%，无水氯化锶：2%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.5%，超纯水：47.5%；
包层的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：20%，甲基丙烯酰胺：10%，海藻酸钠：1.5%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：1%，超纯水：67.5%。
利用如图3所示的三层同轴针头在3D打印平台进行3D生物打印，得到三层水凝胶光纤。
实施例2
在实施例1所得的水凝胶光纤的基础上，进一步进行制备：
光纤传感器的制备方法，包括：
将铂(II)八乙基卟啉溶于四氢呋喃(THF)，后在与聚二甲基硅氧烷均匀混合，使用匀胶机，将溶液均匀旋涂与载玻片上，放置于60℃烘箱中，烘干过夜，得成品氧传感膜；
将氧传感膜通过紫外光（0.5W·cm-2）交联固载于水凝胶光纤的尖端，得到光纤传感器。
实施例3
在实施例2所得的光纤传感器的基础上，进一步进行制备：
如图6所示，一种氧含量实时检测系统，实时检测系统包括荧光检测装置和光纤传感器，述荧光检测装置固定连接光纤传感器，荧光检测装置包括分光器、光源和光谱仪；
分光器包括第一接口、第二接口和第三接口，第一接口连通光源，以实现绿光源或红光源的激发；
第二接口连接光谱仪，以检测发射光强度；
第三接口连接光纤传感器。
当光源采用绿光源（532nm），可激发固载于水凝胶光纤尖端的氧探针（氧传感膜），同时分光器在体外收集光信号，实现组织内氧含量的检测；
当光源采采用红光源（635nm），调节光源实现对聚球藻细胞光合释氧过程的调控，同时水凝胶会保持光合细胞的活性和氧气释放能力，实现组织内持续供氧。
实施例4
将实施例4和实施例1进行对比，实施例4和实施例1的区别在于：
采用纤芯的原料：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%，甲基丙烯酰胺：30%，甲基丙烯酸2-羟基乙酯：40%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%，超纯水：19.7%；
中间纤层的原料：聚球藻细胞：0.3%，聚乙二醇二丙烯酸酯：10%，甲基丙烯酰化明胶：50%，无水氯化锶：3%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%，超纯水：36.4%；
包层的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%，甲基丙烯酰胺：20%，海藻酸钠：2%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：1.2%，超纯水：66.8%。
实施例5
将实施例5和实施例1进行对比，实施例5和实施例1的区别在于：
采用纤芯的原料：聚乙二醇二丙烯酸酯：40%，甲基丙烯酰胺：45%，甲基丙烯酸2-羟基乙酯：10%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：1.2%，超纯水：3.8%；
中间纤层的原料：聚球藻细胞：3%，聚乙二醇二丙烯酸酯：30%，甲基丙烯酰化明胶：10%，无水氯化锶：0.5%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：1.2%，超纯水：58.3%；
包层的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：30%，甲基丙烯酰胺：5%，海藻酸钠：1%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%，超纯水：63.7%。
相关实验及效果数据：
对实施例1所得的光凝胶光纤进行结构检测，结果如图1和图7所示，图7中细胞在孔隙结构中并未标识出，同时采用激光共聚焦显微镜对光凝胶光纤进行观察，其中间纤层的观察结果的3D旋转图如图8所示，观察结果的俯视图如图9所示。
对实施例2所得的光纤传感器在不同细胞数量条件下进行氧气释放速率检测，具体检测原理为：检测光纤传感器在680nm波长的光吸收值（OD值），由于光纤传感器的中间纤层中含有大量聚球藻细胞，而聚球藻细胞中由于叶绿素a的存在，会吸收一部分光并产生氧气释放到溶液中，进而影响OD值，因此通过直接测定OD值的变化可以大致估算聚球藻细胞的细胞密度和数量等参数。具体步骤为：
1. 确定合适的转换因子，该转换因子主要表示的是OD680的数值与每毫升细胞数之间的关联程度，由于聚球藻细胞株的种类和生长条件的不同，因此该换算系数也有所不同，因此根据选取的聚球藻细胞株（例如中国科学院藻种库聚球藻706）先进行校准实验，以明确适合的转换因子数值：
（1）使用已知细胞数的聚球藻细胞培养液在680nm波长下进行测量，测得OD值；
（2）使用流式细胞仪或显微镜直接测量聚球藻细胞的数量，测得的细胞数；
（3）根据OD680值和细胞数，得到转换因子的数值。
2.通过该转换因子数值，运用公式：
细胞数（个/mL）= OD680值*换算系数，
计算得到待测聚球藻细胞的数量。
例如：将已知细胞数量的聚球藻细胞加入到100mL的培养液中，测定其OD680的数值为0.5，计算得到转换因子为2×107。
采用上述方法对实施例2所得的光纤传感器中聚球藻细胞进行测量，结果如图10所示，这表明在光波长OD680为80（换算系数为2×107，聚球藻细胞数量为160×107个/mL）的前提下，该光纤传感器的氧气释放时间短以及氧气释放速率快。
综上所述，本申请实施例提供的一种双功能柔性水凝胶光纤，可以将传感系统和释氧系统独立构建在一起，而且光合释氧体系和检测体系对彼此所需的光源敏感度低，从而减少使用过程中相互影响因素。
同时该水凝胶光纤相比传统的光纤传感材料，不仅具有良好的透光性和生物相容性，还有良好的亲水性能，而该亲水性能能够长期保持光合细胞的活性，并且能够使得氧分子自由传输。
并且该水凝胶光纤由于具有较高的生物相容性，因此能够快速从体内移除和回收，可以重复使用，避免了二次手术带来的伤害。
本申请实施例提供的氧含量实时检测系统，由于其持续可控释氧功能是通过固定在水凝胶光纤中的光合细胞-聚球藻细胞所实现的，而通过光暗时间和光照强度控制，能够有效实现氧的持续可控释放。
本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。 在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，“ a,b,或c中的至少一项（个）”，或，“a,b,和c中的至少一项（个）”，均可以表示：a, b, c, a-b（即a和b）, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种双功能柔性水凝胶光纤，其特征在于，所述水凝胶光纤是由纤芯、中间纤层和包层所形成的三层同轴光纤结构；其中，所述纤芯的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述中间纤层的原料包括聚球藻细胞、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰化明胶、无水氯化锶和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；
所述包层的原料包括聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、海藻酸钠和2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮。
2.根据权利要求1所述的水凝胶光纤，其特征在于，以质量分数计，所述纤芯的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～40%，甲基丙烯酰胺：30%～50%，甲基丙烯酸2-羟基乙酯：10%～40%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
3.根据权利要求1所述的水凝胶光纤，其特征在于，以质量分数计，所述中间纤层的原料包括：聚球藻细胞：0.3%～3%，聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～30%，甲基丙烯酰化明胶：10%～50%，无水氯化锶：0.5%～3%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
4.根据权利要求1所述的水凝胶光纤，其特征在于，以质量分数计，所述包层的原料包括：聚乙二醇二丙烯酸酯：10%～30%，甲基丙烯酰胺：5%～20%，海藻酸钠：1%～2%，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮：0.3%～1.2%，其余为超纯水。
5.根据权利要求1所述的水凝胶光纤，其特征在于，所述纤芯、所述中间纤层和所述包层的厚度比为1～3:1～3:1～3。
6.一种制备如权利要求1-5任一项所述的水凝胶光纤的方法，其特征在于，所述方法包括：
分别混合纤芯的原料、中间纤层的原料和包层的原料，得到纤芯凝胶液、中间纤层凝胶液和包层凝胶液；
采用三层同轴针头对所述纤芯凝胶液、中间纤层凝胶液和包层凝胶液进行三同轴3D生物打印，得到水凝胶光纤。
7.一种双功能柔性水凝胶光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感器包括如权利要求1-5任一项所述的水凝胶光纤，以及连接于所述水凝胶光纤一端的氧传感膜。
8.一种制备如权利要求7所述的光纤传感器的方法，其特征在于，所述方法包括：
使所述氧传感膜和所述水凝胶光纤的尖端进行紫外光交联，得到光纤传感器。
9.一种氧含量实时检测系统，其特征在于，所述实时检测系统包括荧光检测装置和权利要求7所述的光纤传感器，所述荧光检测装置固定连接光纤传感器。
10.根据权利要求9所述的检测系统，其特征在于，所述荧光检测装置包括分光器、光源和光谱仪；
所述分光器包括第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口连通所述光源，以实现绿光源或红光源的激发；
所述第二接口连接所述光谱仪，以检测发射光强度；
所述第三接口连接所述光纤传感器。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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