一種基于生物相容性材料的柔性電極及其制備方法和應(yīng)用與流程

本發(fā)明屬于生物傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于生物相容性材料的柔性電極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

目前，電化學(xué)生物傳感器在醫(yī)療診斷、食品安全和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。特別是在醫(yī)療診斷領(lǐng)域用于檢測(cè)糖尿病患者的血糖時(shí)，由于其便攜、方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，到2013年全世界的糖尿病患病數(shù)量約有3.82億人數(shù)。因此，在血糖檢測(cè)的領(lǐng)域方面，電化學(xué)生物傳感器具有重要的應(yīng)用前景。另一方面，隨著柔性材料的深入研究，在人工皮膚，可穿戴式的電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。開發(fā)一種可穿戴式的電極檢測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)地檢測(cè)糖尿病患者的血糖含量具有更加至關(guān)重要的意義，而傳統(tǒng)的塑料基電化學(xué)生物傳感器，由于其柔性較差，貼附性差，很難貼附在皮膚表面，且透氣性不好，容易引起皮膚過敏等缺陷，難以在可穿戴設(shè)備中廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)一種柔性好，與皮膚貼附性好，抗過敏的生物基材電極檢測(cè)試片，對(duì)于開發(fā)柔性電子設(shè)備或可穿戴式柔性皮膚電子檢測(cè)設(shè)備具有重要的意義。生物性材料（如殼聚糖、瓊脂、膠原蛋白等）是一種天然的高分子材料，具有優(yōu)異的生物相容性、安全性和微生物降解性等優(yōu)良性能被廣泛關(guān)注，在醫(yī)藥、食品等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用研究都取得了重大進(jìn)展。而由天然高分子材料制備成的天然高分子生物性薄膜材料，也具有優(yōu)異的柔韌性和生物相容性，貼附在皮膚表面不會(huì)引起皮膚過敏，并且具有良好的透氣性和吸濕性等，對(duì)皮膚具有較好的適宜性，若能夠利用生物性材料為基底制備性能優(yōu)異的電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái)，將會(huì)獲得柔韌性好，抗過敏，性能優(yōu)異的人工皮膚柔性電極檢測(cè)平臺(tái)。就目前的研究，柔性電極量測(cè)的試片或平臺(tái)皆是以不可分解塑料，如PDMS薄膜來制備的，但這樣的僅能用于一般體外檢測(cè)，另若貼在皮膚上易不透氣也會(huì)產(chǎn)生過敏現(xiàn)象，所以本發(fā)明就是將生物相容性材料作為軟性電子基材，并在此基材上建構(gòu)檢測(cè)元件，使其變成一個(gè)具有生物相容性的檢測(cè)平臺(tái)，也使其電子人工皮膚，越能被人體組織接受，不排斥，不過敏，透氣.就目前而言這種檢測(cè)平臺(tái)不管是在研究或是專利上，都是沒有的.但目前關(guān)于這方面的電極檢測(cè)平臺(tái)的研究仍屬于技術(shù)空白。

綜上所述，生物性材料在電極檢測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用屬于空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于生物相容性材料的柔性電極及其制備方法和應(yīng)用，旨在解決生物性材料在電極檢測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用屬于空白的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于生物相容性材料的柔性電極，所述基于生物相容性材料的柔性電極以可降解的生物性材料為基底，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極；

所述生物性材料為可為殼聚糖、瓊脂、膠原蛋白的生物可降解高分子材料中的任意一種、兩種或三種的混合；所述殼聚糖、瓊脂、膠原蛋白中任意兩種或三種的混合的按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)各個(gè)組分的比例均為10%~90%。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種由所述基于生物相容性材料的柔性電極制備的生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)。

進(jìn)一步，所述生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)從上到下分別為：識(shí)別分子層、電子傳遞介質(zhì)層、碳電極層、生物材料層。

進(jìn)一步，所述電子傳遞介質(zhì)層為鐵氰化鉀、甲基二茂鐵、次甲基藍(lán)或?qū)Ρ锦?/p>

進(jìn)一步，所述識(shí)別分子層為酶，抗體，DNA，適配體或細(xì)胞。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述的生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的制備方法，所述生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的制備方法包括：

步驟一，生物性材料基底上印制有碳電極，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)印制碳電極，并移入烘箱中進(jìn)行固化，得到全新的生物基材碳電極；

步驟二，配制電子傳遞介質(zhì)溶液，并固定在碳電極表面的工作區(qū)域；

步驟三，將識(shí)別分子配入到磷酸緩沖液中，并將其固定在電極表面的工作區(qū)域，制備出生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種由所述基于生物相容性材料的柔性電極制備的用于檢測(cè)葡萄糖的可降解柔性生物基材電極檢測(cè)試片。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種由所述基于生物相容性材料的柔性電極制備的柔性人工皮膚電極檢測(cè)平臺(tái)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種由所述基于生物相容性材料的柔性電極制備的可穿戴式電極檢測(cè)平臺(tái)。

本發(fā)明提供的基于生物相容性材料的柔性電極及其制備方法和應(yīng)用，以可降解的生物性材料作為基底，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極，并固定適宜的鐵氰化鉀和葡萄糖氧化酶，制備全新的可降解的檢測(cè)葡萄糖的柔性生物基材電極檢測(cè)試片。所制備的檢測(cè)葡萄糖的生物基材電極檢測(cè)試片通過電化學(xué)測(cè)試表明與其商用的塑料基材葡萄糖電極試片具有同樣良好的電化學(xué)性能。將全新的檢測(cè)葡萄糖的柔性生物基材電極檢測(cè)試片用于檢測(cè)葡萄糖，其結(jié)果說明此試片能夠準(zhǔn)確的用來檢測(cè)一定濃度范圍內(nèi)的葡萄糖溶液，并且具有靈敏度高（0.97 μA cm-2），檢測(cè)時(shí)間短（小于40 s），差異性?。ㄏ鄬?duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.41 %，N=3）等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)，制備工藝簡單，成本低，柔性好，與皮膚接觸性好，并且具有抗過敏性、透氣性和吸濕性等功能，對(duì)于可撓曲，可穿戴式電子設(shè)備的應(yīng)用具有重要的意義，為制備柔性人工皮膚電子產(chǎn)品或可穿戴式電子產(chǎn)品中的應(yīng)用提供了新的方法和途徑。以可降解的生物性材料為基底，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極，并固定適宜的電子傳遞介質(zhì)和識(shí)別分子，制備一種全新的生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)。所制備的生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)通過循環(huán)伏安測(cè)試表明具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，用于檢測(cè)葡萄糖溶液時(shí)，具有準(zhǔn)確性高，靈敏度高，檢測(cè)時(shí)間短，重現(xiàn)性好以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的制備方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、識(shí)別分子；2、電子傳遞介質(zhì)；3、碳電極；4、生物性材料基底。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的電化學(xué)性能分析圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性生物基材電極檢測(cè)試片用于檢測(cè)葡萄糖的線性范圍以及靈敏度示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于生物相容性材料的柔性電極以可降解的生物材料為基底，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極。所述生物性材料為可為殼聚糖、瓊脂、膠原蛋白的生物可降解高分子材料中的任意一種、兩種或三種的混合；所述殼聚糖、瓊脂、膠原蛋白中任意兩種或三種的混合的按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)各個(gè)組分的比例均為10%~90%。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的制備方法包括以下步驟：

S101：以可降解的生物材料為基底，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極，并移入烘箱中進(jìn)行固化，得到生物材料基底的碳電極；

S102：配制電子傳遞介質(zhì)溶液，并將其固定在碳電極表面；

S103：將識(shí)別分子配入到磷酸緩沖液中，并將其固定在電極表面的工作區(qū)域，制備出可降解的全新生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)主要由：識(shí)別分子1、電子傳遞介質(zhì)2、碳電極3、生物材料4組成。

生物性基底材料4上印制有碳電極3，碳電極3的一端放置有電子傳遞介質(zhì)2，電子傳遞介質(zhì)2上放置有識(shí)別分子層1。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例1：

（1）以殼聚糖材料為基底，通過一步絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極，并移入烘箱中進(jìn)行固化，得到全新的殼聚糖生物基材碳電極；

（2）配制200毫摩爾每升的鐵氰化鉀溶液，將2~5 μL的溶液固定在碳電極表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分鐘；

（3）將活性為10 K國際單位的葡萄糖氧化酶，配入到含有0.05克每升的羧甲基纖維素鈉的50毫摩爾每升的磷酸緩沖液中，將2~5 μL的溶液固定在碳電極表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分鐘，制備出檢測(cè)葡萄糖的柔性殼聚糖生物基材電極檢測(cè)試片。

實(shí)施例2：

（1）以瓊脂材料為基底，通過一步絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備碳電極，并移入烘箱中進(jìn)行固化，得到全新的瓊脂生物基材碳電極；

（2）配制50毫摩爾每升的甲基二茂鐵溶液，將20~50 μL的溶液固定在碳電極表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分鐘；

（3）將活性為10 K國際單位的膽固醇氧化酶，配入到含有0.05克每升的羧甲基纖維素鈉的50毫摩爾每升的磷酸緩沖液中，將20~50 μL的溶液固定在碳電極表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分鐘，制備出檢測(cè)膽固醇的柔性瓊脂生物基材電極檢測(cè)試片。

所制備的全新柔性生物基材電極檢測(cè)試片的示意圖，如圖2所示。

下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

（1）將制備好的全新的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)，通過CHI 400電化學(xué)工作站利用循環(huán)伏安法分析生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的性能，如圖3所示。其結(jié)果說明生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)的電化學(xué)反應(yīng)主要受表面控制的限制，進(jìn)一步計(jì)算其表觀電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)為4.49×10^-3，較大的電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)表明所制備的柔性生物基材電極檢測(cè)平臺(tái)具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

（2）將制備好的全新的檢測(cè)葡萄糖的柔性生物基材電極檢測(cè)試片，滴加不同濃度的葡萄糖溶液在生物基材電極檢測(cè)試片的工作區(qū)域，通過CHI 400電化學(xué)工作站利用計(jì)時(shí)電流法檢測(cè)響應(yīng)電流與葡萄糖濃度之間的關(guān)系，如圖4所示。其結(jié)果說明具有較高的靈敏度（0.97 μA cm^-2），并且全新的柔性生物基材電極檢測(cè)試片在用于檢測(cè)葡萄糖時(shí)具有較短的檢測(cè)時(shí)間（小于40 s），以及較小的差異性（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.41 %，N=3）。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。