一种基于生物相容性材料的柔性电极及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物传感技术领域，尤其涉及一种基于生物相容性材料的柔性电极及其制备方法和应用。

背景技术：

目前，电化学生物传感器在医疗诊断、食品安全和环境检测等领域都有重要的应用。特别是在医疗诊断领域用于检测糖尿病患者的血糖时，由于其便携、方便，成本低廉等优点应用广泛。根据国际糖尿病联盟的调查统计结果显示，到2013年全世界的糖尿病患病数量约有3.82亿人数。因此，在血糖检测的领域方面，电化学生物传感器具有重要的应用前景。另一方面，随着柔性材料的深入研究，在人工皮肤，可穿戴式的电子设备等领域的应用引起了广泛的关注。开发一种可穿戴式的电极检测平台实时地检测糖尿病患者的血糖含量具有更加至关重要的意义，而传统的塑料基电化学生物传感器，由于其柔性较差，贴附性差，很难贴附在皮肤表面，且透气性不好，容易引起皮肤过敏等缺陷，难以在可穿戴设备中广泛应用。因此，开发一种柔性好，与皮肤贴附性好，抗过敏的生物基材电极检测试片，对于开发柔性电子设备或可穿戴式柔性皮肤电子检测设备具有重要的意义。生物性材料（如壳聚糖、琼脂、胶原蛋白等）是一种天然的高分子材料，具有优异的生物相容性、安全性和微生物降解性等优良性能被广泛关注，在医药、食品等众多领域的应用研究都取得了重大进展。而由天然高分子材料制备成的天然高分子生物性薄膜材料，也具有优异的柔韧性和生物相容性，贴附在皮肤表面不会引起皮肤过敏，并且具有良好的透气性和吸湿性等，对皮肤具有较好的适宜性，若能够利用生物性材料为基底制备性能优异的电化学检测平台，将会获得柔韧性好，抗过敏，性能优异的人工皮肤柔性电极检测平台。就目前的研究，柔性电极量测的试片或平台皆是以不可分解塑料，如PDMS薄膜来制备的，但这样的仅能用于一般体外检测，另若贴在皮肤上易不透气也会产生过敏现象，所以本发明就是将生物相容性材料作为软性电子基材，并在此基材上建构检测元件，使其变成一个具有生物相容性的检测平台，也使其电子人工皮肤，越能被人体组织接受，不排斥，不过敏，透气.就目前而言这种检测平台不管是在研究或是专利上，都是没有的.但目前关于这方面的电极检测平台的研究仍属于技术空白。

综上所述，生物性材料在电极检测平台的应用属于空白。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于生物相容性材料的柔性电极及其制备方法和应用，旨在解决生物性材料在电极检测平台的应用属于空白的问题。

本发明是这样实现的，一种基于生物相容性材料的柔性电极，所述基于生物相容性材料的柔性电极以可降解的生物性材料为基底，通过丝网印刷技术制备碳电极；

所述生物性材料为可为壳聚糖、琼脂、胶原蛋白的生物可降解高分子材料中的任意一种、两种或三种的混合；所述壳聚糖、琼脂、胶原蛋白中任意两种或三种的混合的按照质量百分数各个组分的比例均为10%~90%。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于生物相容性材料的柔性电极制备的生物基材电极检测平台。

进一步，所述生物基材电极检测平台从上到下分别为：识别分子层、电子传递介质层、碳电极层、生物材料层。

进一步，所述电子传递介质层为铁氰化钾、甲基二茂铁、次甲基蓝或对苯醌。

进一步，所述识别分子层为酶，抗体，DNA，适配体或细胞。

本发明的另一目的在于提供一种所述的生物基材电极检测平台的制备方法，所述生物基材电极检测平台的制备方法包括：

步骤一，生物性材料基底上印制有碳电极，通过丝网印刷技术印制碳电极，并移入烘箱中进行固化，得到全新的生物基材碳电极；

步骤二，配制电子传递介质溶液，并固定在碳电极表面的工作区域；

步骤三，将识别分子配入到磷酸缓冲液中，并将其固定在电极表面的工作区域，制备出生物基材电极检测平台。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于生物相容性材料的柔性电极制备的用于检测葡萄糖的可降解柔性生物基材电极检测试片。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于生物相容性材料的柔性电极制备的柔性人工皮肤电极检测平台。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于生物相容性材料的柔性电极制备的可穿戴式电极检测平台。

本发明提供的基于生物相容性材料的柔性电极及其制备方法和应用，以可降解的生物性材料作为基底，通过丝网印刷技术制备碳电极，并固定适宜的铁氰化钾和葡萄糖氧化酶，制备全新的可降解的检测葡萄糖的柔性生物基材电极检测试片。所制备的检测葡萄糖的生物基材电极检测试片通过电化学测试表明与其商用的塑料基材葡萄糖电极试片具有同样良好的电化学性能。将全新的检测葡萄糖的柔性生物基材电极检测试片用于检测葡萄糖，其结果说明此试片能够准确的用来检测一定浓度范围内的葡萄糖溶液，并且具有灵敏度高（0.97 μA cm-2），检测时间短（小于40 s），差异性小（相对标准偏差小于2.41 %，N=3）等优点。本发明提供的柔性生物基材电极检测平台，制备工艺简单，成本低，柔性好，与皮肤接触性好，并且具有抗过敏性、透气性和吸湿性等功能，对于可挠曲，可穿戴式电子设备的应用具有重要的意义，为制备柔性人工皮肤电子产品或可穿戴式电子产品中的应用提供了新的方法和途径。以可降解的生物性材料为基底，通过丝网印刷技术制备碳电极，并固定适宜的电子传递介质和识别分子，制备一种全新的生物基材电极检测平台。所制备的生物基材电极检测平台通过循环伏安测试表明具有优异的电化学性能，用于检测葡萄糖溶液时，具有准确性高，灵敏度高，检测时间短，重现性好以及稳定性好等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的柔性生物基材电极检测平台的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的柔性生物基材电极检测平台结构示意图；

图中：1、识别分子；2、电子传递介质；3、碳电极；4、生物性材料基底。

图3是本发明实施例提供的柔性生物基材电极检测平台的电化学性能分析图。

图4是本发明实施例提供的柔性生物基材电极检测试片用于检测葡萄糖的线性范围以及灵敏度示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的基于生物相容性材料的柔性电极以可降解的生物材料为基底，通过丝网印刷技术制备碳电极。所述生物性材料为可为壳聚糖、琼脂、胶原蛋白的生物可降解高分子材料中的任意一种、两种或三种的混合；所述壳聚糖、琼脂、胶原蛋白中任意两种或三种的混合的按照质量百分数各个组分的比例均为10%~90%。

如图1所示，本发明实施例的生物基材电极检测平台的制备方法包括以下步骤：

S101：以可降解的生物材料为基底，通过丝网印刷技术制备碳电极，并移入烘箱中进行固化，得到生物材料基底的碳电极；

S102：配制电子传递介质溶液，并将其固定在碳电极表面；

S103：将识别分子配入到磷酸缓冲液中，并将其固定在电极表面的工作区域，制备出可降解的全新生物基材电极检测平台。

如图2所示，本发明实施例的柔性生物基材电极检测平台主要由：识别分子1、电子传递介质2、碳电极3、生物材料4组成。

生物性基底材料4上印制有碳电极3，碳电极3的一端放置有电子传递介质2，电子传递介质2上放置有识别分子层1。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

（1）以壳聚糖材料为基底，通过一步丝网印刷技术制备碳电极，并移入烘箱中进行固化，得到全新的壳聚糖生物基材碳电极；

（2）配制200毫摩尔每升的铁氰化钾溶液，将2~5 μL的溶液固定在碳电极表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分钟；

（3）将活性为10 K国际单位的葡萄糖氧化酶，配入到含有0.05克每升的羧甲基纤维素钠的50毫摩尔每升的磷酸缓冲液中，将2~5 μL的溶液固定在碳电极表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分钟，制备出检测葡萄糖的柔性壳聚糖生物基材电极检测试片。

实施例2：

（1）以琼脂材料为基底，通过一步丝网印刷技术制备碳电极，并移入烘箱中进行固化，得到全新的琼脂生物基材碳电极；

（2）配制50毫摩尔每升的甲基二茂铁溶液，将20~50 μL的溶液固定在碳电极表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分钟；

（3）将活性为10 K国际单位的胆固醇氧化酶，配入到含有0.05克每升的羧甲基纤维素钠的50毫摩尔每升的磷酸缓冲液中，将20~50 μL的溶液固定在碳电极表面，并放在25℃~30℃的烘箱中，保存10~30分钟，制备出检测胆固醇的柔性琼脂生物基材电极检测试片。

所制备的全新柔性生物基材电极检测试片的示意图，如图2所示。

下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。

（1）将制备好的全新的柔性生物基材电极检测平台，通过CHI 400电化学工作站利用循环伏安法分析生物基材电极检测平台的性能，如图3所示。其结果说明生物基材电极检测平台的电化学反应主要受表面控制的限制，进一步计算其表观电子转移速率常数为4.49×10^-3，较大的电子转移速率常数表明所制备的柔性生物基材电极检测平台具有优异的电化学性能。

（2）将制备好的全新的检测葡萄糖的柔性生物基材电极检测试片，滴加不同浓度的葡萄糖溶液在生物基材电极检测试片的工作区域，通过CHI 400电化学工作站利用计时电流法检测响应电流与葡萄糖浓度之间的关系，如图4所示。其结果说明具有较高的灵敏度（0.97 μA cm^-2），并且全新的柔性生物基材电极检测试片在用于检测葡萄糖时具有较短的检测时间（小于40 s），以及较小的差异性（相对标准偏差小于2.41 %，N=3）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。