专利名称：一种可植入人体的生物酶传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新的可植入人体的生物酶传感器及其制作方法，可植入人体的传感器适用于对人体各项生理指标、药物代谢等的连续监测，特别用于人体动态血糖的监测。
背景技术：
生物传感器是利用电化学原理，把酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质作为敏感元件，将其浓度转化为电信号来快速、准确、方便测量生物物质含量的分析系统，其构成材料必须具有特定的性质，从而在体内发挥作用并提供适宜的信号。
植入人体的生物酶传感器从内到外一般由电极、生物酶层和外膜层组成。生物传感层中的酶可以与待测物质特异性结合，产生电化学信号；植入体内的外膜层主要是保护生物酶层不会由于被体内的蛋白、电解质、药物、炎症反应等其他潜在化合物的影响。因此， 外膜层必须有良好的生物相容性、抗蛋白吸附性和附着力。由于体内氧含量远低于葡萄糖含量，因而对于葡萄糖氧化酶电极来说其氧的透过性要远大于葡萄糖的透过性。
目前，生物酶传感器中的外膜层通常为硅胶、二氧化硅和聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇等，由于这些材料生物相容性不佳、成膜性能不好、与电极附着较差，在长期使用过程中会引起组织炎症反应，容易降解等。
WO 02/053764提到聚氨酯的生成方法，第一步是将二异氰酸酯与二氨基封端聚醚二元醇和二氨基封端聚二甲基硅氧烷反应生成预聚物，第二步在水中扩链，但由于在水中扩链后生成的高分子物质没有活泼的官能团，涂覆在电极上是仅以物理吸附作用于电极表面，导致附着力很差，不适用于体内测试。
WO 2006/018425介绍了用于生物传感器的两相生物相容性半透膜，该膜包含具有水可溶胀性的聚氨酯的连续亲水相，而其制备过程是通过超过20步喷涂聚合物溶液来实现，但这种方法太过繁杂，难以量化生产，且未解决附着力问题。
CN 85108692提到使用聚醚二元醇在聚氨酯材料上接枝共聚的方法，对聚氨酯材料进行金属活化并在合成中需要引入众多有毒试剂，纯化非常麻烦，因此该专利方法难以适用于葡萄糖传感器上面。
US5786439介绍了一种可用于植入式传感器涂覆的水凝胶，由二异氰酸酯和亲水二醇生成硬段化合物，然后通过二胺进行扩链生成水凝胶，此水凝胶可以用来降低电极测试时的阻抗，但在长期测试中会降解。
这些文献虽对外膜层做了一些摸索，但对外膜层的附着力、生物相容性、抗蛋白性能等研究不够，尤其是在有关适用于葡萄糖传感器工作电极的具体应用上存在很大缺陷。发明内容
本发明要解决的问题在于针对现有葡萄糖传感器酶电极存在的技术问题，提出一种新的葡萄糖生物酶传感器及其制作方法，在体内检测72小时内不脱落不降解，具有良好的生物相容性和优异的抗蛋白吸附性能。本发明采取的技术方案如下
第一步电极的制作是通过打磨、脱脂、活化、等离子清洗等物理化学工艺将基材表面处理干净，然后在金属基材或塑料基材上电镀或溅射一层钼黑、钼或金；
第二步在电极表面修饰一层酶，通过高分子包埋或交联的方法固定生物酶，以一种或几种生物相容性高分子材料为载体，形成生物酶层，其中作为载体的高分子材料至少一种含多氨基、多羟基或多巯基，此种高分子材料包括琼脂糖、壳聚糖、明胶、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟基纤维素、牛血清蛋白等中的一种或多种；
第三步将过量(nNro :nNH2/0H/SH = 1. 3 1. 8)的多异氰酸酯与聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反应，并添加少量的扩链剂，生成聚氨酯预聚物，反应时间为3-15小时，反应温度为30-80°C，反应后通过液相制备色谱提纯，聚氨酯预聚物与生物酶层中的高分子物质进行交联固化，通过共价键的方式来提高外膜的附着力，确保生物传感层在动物体或人体长期测试中不脱落，具有良好的生物相容性和抗蛋白吸附性能。
根据上述方法制得的可植入人体的生物酶传感器，由电极、生物酶层和外膜层组成，其特征在于所述的电极是在金属基材或塑料基材上电镀或溅射一层钼黑、钼或金所组成的材料；生物酶层以一种或几种生物相容性高分子材料为载体，至少一种含多氨基、多羟基或多巯基，通过高分子包埋或交联的方法固定生物酶，修饰在电极表面；外膜层是聚氨酯预聚物与生物酶层中的琼脂糖、壳聚糖、明胶、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟基纤维素、牛血清蛋白等一种或多种高分子物质进行交联固化形成的膜。
所述的聚氨酯(PU)是由多羟基化合物先与多异氰酸酯进行加成反应得到预聚体，再和扩链剂反应合成的一类含有氨基甲酸酯官能团(-NHC00-单元)的高分子材料。聚氨酯结构由聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚硅氧烷多元醇、聚碳酸酯多元醇以及全氟聚醚多元醇等形成的软段和由多异氰酸酯与扩链剂形成的硬段二部分构成。由于软段和硬段之间的组成与极性不同，使其在热力学上不相容而形成微相分离结构，并导致微区的形成，其中软段为连续相，赋予聚氨酯弹性，硬段聚集成微区分散在连续相中。该微相分离结构不仅赋予了聚氨酯良好的力学性能，而且赋予了聚氨酯良好的生物相容性和抗蛋白吸附性能。
所述的聚氨酯(PU)预聚物生成过程的反应式为
-N = C = 0+H0- — -NH-COO-
结构式为
权利要求
1.一种可植入人体的生物酶传感器的制作方法，该传感器包含电极、生物酶层和外膜层，其制作包括以下步骤(1)电极的制作是通过打磨、脱脂、活化、等离子处理的物理化学工艺将基材表面处理干净，然后在基材上电镀或溅射钼黑、钼或金；(2)在电极表面通过高分子包埋或交联的方法固定生物酶，以一种或几种生物相容性高分子材料为载体，形成生物酶层，其中作为载体的高分子材料至少一种含多氨基、多羟基或多巯基；(3)外膜层是将过量的多异氰酸酯与聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反应，并添加少量的扩链剂，生成聚氨酯预聚物，经液相制备色谱提纯，聚氨酯预聚物与生物酶层中的多羟基、多氨基或多巯基高分子材料进行交联固化。
2.根据权利要求1所述的一种可植入人体的生物酶传感器的制作方法，其特征在于所述的至少一种含多氨基、多羟基或多巯基的高分子材料，包括琼脂糖、壳聚糖、明胶、肝素、 葡甘聚糖、多硫代醇酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟基纤维素、牛血清蛋白中的一种或多种，其结构式为
3.根据权利要求1或2所述的一种可植入人体的生物酶传感器的制作方法，其特征在于所述的过量是将异氰酸酯指数设定在1. 3 1. 8，即nNro :nNH2/0H/SH = 1. 3 1. 8 ；反应时间为3-15小时，反应温度为30-80°C。
4.根据权利要求3所述的一种可植入人体的生物酶传感器的制作方法，其特征在于所述的多异氰酸酯是脂肪族或脂环族多异氰酸酯，优选4，4: 二环己基甲烷二异氰酸酯、1，4-环己基多异氰酸酯、MDI改性体、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、耐氨酸基二异氰酸酯、苯二亚甲基多异氰酸酯或其衍生物；所述的扩链剂为多元醇、多元胺，优选乙二胺、二丁胺、邻苯二胺、对苯二胺、丙三醇或丁二醇；所述的聚氨酯预聚物由聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚硅氧烷多元醇、聚碳酸酯多元醇或全氟聚醚多元醇形成的软段和由多异氰酸酯与多元醇或多元胺形成的硬段二部分构成，其结构式为
5.根据权利要求1或2或4或5所述的一种可植入人体的生物酶传感器的制作方法， 其特征在于所述的交联固化是聚氨酯预聚物通过浸涂、喷涂、淋涂或刷涂的方式修饰在生物酶层上，与生物酶层中的高分子材料反应形成共价键，再通过热固化、紫外光或辐射固化成膜。
6.根据权利要求5所述的一种可植入人体的生物酶传感器的制作方法，其特征在于所述的金属基材为不锈钢针、钛丝、铜丝或铝丝，塑料基材为聚乙烯板、聚氯乙烯板、聚对苯二甲酸乙二酯板、聚丙烯板或聚碳酸酯板。
7.—种可植入人体的生物酶传感器，包含电极、生物酶层和外膜层，其特征在于，电极是电镀或溅射一层钼黑、钼或金的金属基材或塑料基材；生物酶层修饰在电极表面，以一种
8. 一种提高可植入人体的生物酶传感器外膜附着力和生物相容性的方法，包括以下步骤(1)将过量的多异氰酸酯与聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反应，并添加少量的多元醇、多元胺，生成聚氨酯预聚物，反应时间为3-15小时，反应温度为30-80°C，反应后通过液相制备色谱提纯，其中nNro :nNH2/0H/SH = 1. 3 1. 8 ；(2)在电极表面通过高分子包埋或交联的方法固定生物酶，以一种或几种生物相容性高分子材料为载体，形成生物酶层，其中作为载体的高分子材料至少一种含多氨基、多羟基或多巯基，此种高分子材料包括琼脂糖、壳聚糖、明胶、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟基纤维素、牛血清蛋白中的一种或多种；(3)聚氨酯预聚物通过浸涂、喷涂、淋涂或刷涂的方式修饰在生物酶层上，与生物酶层中的高分子材料反应形成共价键，再通过热固化、紫外光或辐射固化成膜。或几种生物相容性高分子材料为载体，通过高分子包埋或交联的方法固定生物酶，其中作为载体的高分子材料至少一种含多氨基、多羟基或多巯基；外膜层是多异氰酸酯与聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反应，并添加少量多元醇、多元胺生成的聚氨酯预聚物，与生物酶层中的高分子材料进行交联固化形成的覆盖膜。
9.根据权利要求7所述的一种可植入人体的生物酶传感器，其特征在于所述的至少一种含多氨基、多羟基或多巯基的高分子材料，包括琼脂糖、壳聚糖、明胶、肝素、葡甘聚糖、多硫代醇酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟基纤维素、牛血清蛋白中的一种或多种，其结构式为
10.一种可植入人体的生物酶传感器的外膜，由聚氨酯预聚物与生物酶层中的高分子材料进行交联固化形成，其中聚氨酯预聚物是多异氰酸酯与聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚硅氧烷反应，并添加少量的多元醇、多元胺加聚生成，结构式为
全文摘要
本发明涉及一种新的可植入人体的生物酶传感器及其制作方法。通过打磨、脱脂、活化等物理化学工艺将基材表面处理干净，然后在金属基材上电镀或溅射一层铂黑、铂或金。在电极表面修饰一层酶，通过高分子包埋或交联的方法固定生物酶，以一种或几种生物相容性高分子材料为载体，其中作为载体的高分子材料至少一种含多氨基、多羟基或多巯基。将多异氰酸酯与聚醚多元醇或聚酯多元醇和聚二甲基硅氧烷反应，并添加少量扩链剂，生成聚氨酯预聚物，再与生物酶层中的高分子物质进行交联固化，提高膜层的附着力，确保生物传感层在动物体或人体长期测试中不脱落。本发明简便易行，所制得的生物酶传感器具有优异的力学弹性、生物相容性、粘结性和抗蛋白吸附性。
文档编号A61B5/1486GK102499696SQ20111028581
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者周建华, 车宏莉 申请人:长沙三诺生物传感技术股份有限公司