皮下組織介入式葡萄糖微型傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種微型傳感器，特別涉及一種皮下組織介入式葡萄糖微型傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]糖尿病是一種全球范圍內(nèi)的嚴(yán)重危害人類健康的常見(jiàn)內(nèi)分泌代謝疾病。近年來(lái)全球糖尿病患病率呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。對(duì)于糖尿病患者而言，血糖監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，必須要根據(jù)血糖高低制定相應(yīng)治療方案。由于影響人體血糖水平的因素很多，血糖有較大波動(dòng)，傳統(tǒng)單點(diǎn)血糖測(cè)量存在明顯不足，不能獲得準(zhǔn)確全面的獲得血糖信息，無(wú)法制定科學(xué)的個(gè)性化治療方案，導(dǎo)致患者血糖波動(dòng)，頻繁出現(xiàn)高、低血糖，影響患者健康，嚴(yán)重時(shí)甚至危及生命。
[0003]針對(duì)上述問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外公司研究開(kāi)發(fā)出能夠連續(xù)測(cè)量血糖的生物傳感器，如美國(guó)專利US 7153265提及生物傳感器，該傳感器埋植在皮下組織，連續(xù)監(jiān)測(cè)組織液葡萄糖。國(guó)內(nèi)專利如CN200410101080.6提及皮下植入式生物傳感器。
[0004]當(dāng)前用于連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)的生物傳感器，基本都是利用葡萄糖氧化酶，該酶具有對(duì)葡萄糖高選擇性的特點(diǎn)。
[0005]考慮到植入可行性和工作穩(wěn)定性，皮下植入傳感器體積要求盡可能小，這樣植入時(shí)痛感較小，植入后引起人體排斥反應(yīng)也會(huì)較小，有利于傳感器正常工作。當(dāng)前用于人體植入葡萄糖微型傳感器有兩類，一類是需要導(dǎo)針植入傳感器，基材一般為微型塑料片，除去作為載體的部分，還需要考慮電路導(dǎo)體引線排布，因而傳感器體積較大，植入過(guò)程痛感較強(qiáng)，傳感器的有效傳感面積非常有限，會(huì)導(dǎo)致靈敏度較低，信噪比不佳，植入后穩(wěn)定性不好。傳感器工作電壓一般在0.5V(Ag/AgCL參比)以上，在此電位上人體內(nèi)小分子干擾物包括抗壞血酸、兒茶酚胺等會(huì)被氧化從而產(chǎn)生干擾信號(hào)，嚴(yán)重影響準(zhǔn)確性。對(duì)此有些傳感器在設(shè)計(jì)上增加一層高分子膜來(lái)阻擋干擾物，這往往導(dǎo)致傳感器靈敏度下降，影響整體性能。此外傳感器葡萄糖氧化酶氧化酶活性會(huì)隨工作時(shí)間延長(zhǎng)損失，酶活損失到一定程度，傳感器無(wú)法正常工作，通常人體植入時(shí)間一般在72小時(shí)。
[0006]未使用的葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅?，酶的活性?huì)隨保存時(shí)間衰減，活性損失到一定程度，傳感器就不能提供穩(wěn)定可用的信號(hào)，無(wú)法使用，因此葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅鞫加杏行?，一般有效期僅有6個(gè)月，使用不便。
[0007]不需要導(dǎo)針植入傳感器，基材一般為金屬，雖然電極有效面積得到提升，但是產(chǎn)品穩(wěn)定性差，工藝流程非常規(guī)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
[0008]此外上述兩種傳感器都需要考慮電路導(dǎo)通問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)非通用細(xì)小電路引線以及微型接插結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)往往可靠性不佳，會(huì)出現(xiàn)引線或接插件故障引起的斷路問(wèn)題，從而導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，結(jié)構(gòu)緊湊度高，傳感器體積小，有效面積大，相應(yīng)信號(hào)高，抗干擾性能好，有效期長(zhǎng)，可以比較好的解決電路導(dǎo)通問(wèn)題，穩(wěn)定可靠，容易大批量工業(yè)生產(chǎn)的皮下組織介入式葡萄糖微型傳感器及其制備方法。
[0010]本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的:
[0011]—種皮下組織介入式葡萄糖微型傳感器，包括底座，所述的底座中設(shè)有向外延伸的引線部分，所述的引線部分的末端與傳感器部分相連接，所述的傳感器部分與引線部分分別設(shè)在絕緣基層上；
[0012]所述的傳感器部分包括工作電極、參比電極、對(duì)電極和空白電極，所述的工作電極設(shè)在絕緣基層正面的左端，所述的參比電極設(shè)在絕緣基層正面的右端，所述的對(duì)電極設(shè)在絕緣基層正面的左端，所述的空白電極設(shè)在絕緣基層正面的右端，所述的工作電極與參比電極呈間隔狀分布，所述的對(duì)電極與空白電極呈間隔狀分布，構(gòu)成四電極體系；
[0013]或，
[0014]所述的傳感器部分包括工作電極、對(duì)電極和參比電極，所述的工作電極設(shè)在絕緣基層一端面的左端，所述的對(duì)電極設(shè)在絕緣基層一端面的右端，所述的工作電極上端的內(nèi)壁與對(duì)電極上端的內(nèi)壁間設(shè)有參比電極，所述的工作電極、對(duì)電極和參比電極呈間隔狀分布，構(gòu)成三電極體系；
[0015]或，
[0016]所述的傳感器部分包括工作電極、參比電極和對(duì)電極，所述的工作電極設(shè)在絕緣基層正面的左端，所述的參比電極設(shè)在絕緣基層正面的右端，所述的對(duì)電極設(shè)在絕緣基層背面的左端，所述的工作電極與參比電極呈間隔狀分布，構(gòu)成三電極體系；
[0017]或，
[0018]所述的傳感器部分包括工作電極和參比電極，所述的工作電極設(shè)在絕緣基層的正面，所述的參比電極設(shè)在絕緣基層的背面，構(gòu)成兩電極體系；
[0019]所述的工作電極包括粘結(jié)層，所述的粘結(jié)層覆在絕緣基層的上部，所述的粘結(jié)層的上部的覆有導(dǎo)電層，所述的導(dǎo)電層的上部覆有惰性金屬層，所述的惰性金屬層的上部的覆有催化層，所述的催化層的上部的覆有酶層，所述的酶層的上部的覆有高分子層；
[0020]所述的參比電極包括參比電極粘結(jié)層，所述的粘結(jié)層覆在絕緣基層的上部，所述的粘結(jié)層的上部覆有參比電極導(dǎo)電層，所述的導(dǎo)電層的上部覆有惰性金屬層，所述的惰性金屬層的上部覆有銀/氯化銀層，所述的參比銀/氯化銀層的上部覆有參比高分子層；
[0021]所述的對(duì)電極包括粘結(jié)層，所述的粘結(jié)層設(shè)在絕緣基層的底部，所述的粘結(jié)層的表面覆有導(dǎo)電層，所述的導(dǎo)電層的表面覆有惰性金屬層，所述的惰性金屬層的表面覆有催化層，所述的催化層的表面覆有高分子層；
[0022]所述的空白電極包括粘結(jié)層，所述的電極粘結(jié)層設(shè)在絕緣基層的底部，所述的粘結(jié)層的表面覆有導(dǎo)電層，所述的導(dǎo)電層的表面覆有惰性金屬層，所述的惰性金屬層的表面覆有催化層，所述的催化層的表面覆有高分子層；
[0023]所述的引線部分由至少一個(gè)引線組件組成，所述的引線組件包括覆在絕緣基層表面的引線第一粘結(jié)層，所述的引線第一粘結(jié)層的表面覆有引線導(dǎo)電層，所述的引線導(dǎo)電層的表面覆有引線第二粘結(jié)層，所述的引線第二粘結(jié)層的表面覆有引線保護(hù)層。
[0024]作為優(yōu)選，所述的引線組件設(shè)有4個(gè)，引線組件分別設(shè)在絕緣基層上表面的左端、絕緣基層上表面的右端、絕緣基層下表面的左端和絕緣基層下表面的右端，各引線組件間呈間隔狀分布；
[0025]或，
[0026]所述的引線組件設(shè)有3個(gè)，3個(gè)引線組件均分在絕緣基層的一個(gè)端面上；
[0027]或，
[0028]所述的引線組件設(shè)有3個(gè)，其中二個(gè)引線組件均分在絕緣基層的上表面，另一個(gè)引線組件設(shè)在絕緣基層上表面的中間位；
[0029]或，
[0030]所述的引線組件設(shè)有2個(gè)，一個(gè)引線組件設(shè)在絕緣基層上表面的中間位，另一個(gè)引線組件設(shè)在絕緣基層下表面的中間位。
[0031 ]皮下組織介入式葡萄糖微型傳感器的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0032](1)、絕緣基層的選擇:
[0033]絕緣基層采用可撓曲的聚酰亞胺絕緣薄膜或聚酯薄膜作為載體，具有良好的物理和化學(xué)性能；
[0034]具高度曲柔性，可立體配線，依空間限制改變形狀;耐高低溫，耐燃;可折疊而不影響訊號(hào)傳遞功能，可防止靜電干擾;化學(xué)變化穩(wěn)定，安定性、可信賴度高;利于相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，可減少裝配工時(shí)及錯(cuò)誤，并提尚有關(guān)廣品的使用壽命；良好的絕緣性能，體積電阻率達(dá)到1015 Ω.cm;對(duì)常用基體、金屬和介電材料的粘結(jié)性優(yōu)良；該層厚度控制在7.5-12.5微米；
[0035](2)、粘結(jié)層材質(zhì)選擇:
[0036]粘結(jié)層包括傳感器部分和引線部分中各粘結(jié)層；
[0037]絕緣基層的正反兩面涂布粘結(jié)層，該層性能直接影響到電極的性能，由于粘結(jié)劑與絕緣基層之間在制造過(guò)程中存在化學(xué)反應(yīng)，因此對(duì)于不同的絕緣基層還應(yīng)選擇相對(duì)應(yīng)的粘結(jié)劑體系，粘結(jié)劑的性能必須與絕緣基層相適應(yīng)；
[0038]所用的粘結(jié)層必須能夠承受各種工藝條件和在制造中所使用的化學(xué)藥品的侵蝕，并沒(méi)有分層或降解的現(xiàn)象，考慮到人體植入粘結(jié)劑必需有較好的生物相容性，粘結(jié)層采用環(huán)氧樹(shù)脂或丙烯酸樹(shù)脂類，該層厚度控制在5-15微米；
[0039](3)、導(dǎo)電層的選擇:
[0040]導(dǎo)電層包括傳感器部分和引線部分中各導(dǎo)電層；
[0041]粘結(jié)層的表面為導(dǎo)電層，導(dǎo)電層采用壓延銅箔，厚度控制在5-20微米；
[0042]引線部分需要在導(dǎo)電層上制備引線第二粘結(jié)層和引線保護(hù)層，層間可通過(guò)滾壓法增加層間結(jié)合力，電極部分不需要第二粘結(jié)層和保護(hù)層，按照不同要求制備相應(yīng)功能層；
[0043](4)、引線第二粘結(jié)層的選擇:
[0044]后端引線部分的導(dǎo)電層外是引線第二粘結(jié)層，粘結(jié)劑采用環(huán)氧樹(shù)脂或丙烯酸樹(shù)脂類，該層厚度控制在5-15微米；
[0045]前端電極部分需要裸漏的不涂該層粘結(jié)劑，層間可通過(guò)滾壓法增加層間結(jié)合力；
[0046](5)、保護(hù)層的選擇:
[0047]后端引線部分的引線第二粘結(jié)層外是聚酰亞胺絕緣薄膜，保護(hù)膜先進(jìn)行切割加工，露出前段電極部位的銅箔，電極引線覆蓋保護(hù)膜；
[0048]該層厚度控制在5-15微米;可通過(guò)滾壓法增加層間結(jié)合力；
[0049](6)、電極部分功能層制備:
[0050]電極部分可以根據(jù)需要分為工作電極、對(duì)電極、參比電極、空白電極；
[0051]①、工作電極:
[0052]工作電極銅箔上的功能層組成如下:惰性金屬層、催化層、酶層、高分子層；
[0053]惰性金屬層在電極部位的銅箔上制備，通過(guò)電鍍、濺射的方法制備，可選用金、鉑的惰性金屬，該層厚度為10-15微米；
[0054]催化層為鉑黑，可以通過(guò)電鍍方法制備；
[0055]酶層通過(guò)噴霧、浸漬、涂布的方式將酶溶液轉(zhuǎn)移到工作電極上，浸漬時(shí)間為5-15分鐘；
[0056]然后用濃度為5%-20%的戊二醛溶液將轉(zhuǎn)移到工作電極的葡萄糖氧化酶交聯(lián)固定，交聯(lián)溫度在25-35攝氏度，采用液相浸漬交聯(lián)或氣相交聯(lián)，交聯(lián)時(shí)間為30-60min;
[0057]所用酶溶液制備過(guò)程如下:在磷酸鹽緩沖液中加入葡萄糖氧化酶和人重組白蛋白，葡萄糖氧化酶加入量為每毫升50-100毫克，人重組白蛋白加入量為每毫升50-100毫克；溶解充分后，添加1-5%的納米金混勻，最后加入1-5 %的PVB，PVB指聚乙烯醇縮丁醛，混合均勻；
[0058]納米金利用AOT與環(huán)己烷體系形成的反膠束體系中制備，AOT是指琥玻酸二異辛酯璜酸鈉，通過(guò)檸檬酸鈉還原氯金酸鹽水溶液，調(diào)節(jié)水、電解質(zhì)、表面活性劑的濃度比例，制備不同直徑的納米金顆粒，納米金顆粒直徑在5-30nm;
[0059]葡萄糖氧化酶交聯(lián)完成后，可以通過(guò)浸漬、涂布的方式在電極固定一層高分子膜，以增強(qiáng)傳感器生物相容性，提高體內(nèi)性能；
[0060]由于納米金具有良好的生物相容性，可以較長(zhǎng)時(shí)間植入人體內(nèi)，而不引起不良反應(yīng)；
[0061 ]納米金有良好的導(dǎo)電性，可以提高酶電極的靈敏度，縮短酶電極對(duì)葡萄糖響應(yīng)時(shí)間，延長(zhǎng)酶電極使用壽命；
[0062]葡萄糖氧化酶電極氧化葡萄糖的反應(yīng)由兩步酶反應(yīng)組成:
[0063]D-glucose+G0D(FAD)—glucose-lactone+G0D(FADH2)
[0064 ] GOD (FADH2) +02^G0D (FAD) +H2O2
[0065]glucose-lactone+H20^glucose-acid
[0066]上述過(guò)程中，還原態(tài)葡萄糖氧化酶G0D(FADH2)穩(wěn)定性較差，比較容易發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，無(wú)法被氧化變成常態(tài)葡萄糖氧化酶，這是常見(jiàn)葡萄糖氧化酶電極酶活喪失的原因之一；而在酶層加入納米金顆粒后，納米金顆粒具有從環(huán)境吸收電子的特性，可以迅速將還原態(tài)葡萄糖氧化酶GOD (FADH2)氧化成穩(wěn)態(tài)葡萄糖氧化酶GOD (FAD)，減少電極反應(yīng)過(guò)程中還原態(tài)葡萄糖氧化酶GOD(FADH2)的數(shù)量以及存在時(shí)間，減少