植入式传感器保护膜的设计——多孔壳聚糖膜的制备与生物相容性研究

摘要

葡萄糖传感器以固定化酶膜为敏感单元，催化进入其表面的葡萄糖和氧气发生氧化反应，过程中氧消耗或者过氧化氢的产生在电极之间形成电流变化，通过电化学方法进行检测从而得出葡萄糖浓度变化。通过实时连续检测血液中葡萄糖的浓度，可以有效监测低血糖和高血糖的发生。为了达到实时、动态、准确、连续地监测血糖，实现闭环葡萄糖监测/胰岛素释放输送，需要一种可长期植入的葡萄糖传感器。但是现在的植入式葡萄糖传感器还存在植入到体内后稳定性不好、逐渐失效等缺点，生物相容性不好是主要原因之一。传感器外层膜的研究，或者说是传感器敏感部分与组织接触界面的设计与改良研究，是改善整个植入式传感器生物相容性及在体性能的关键。将多孔生物材料应用于植入式葡萄糖传感器保护膜的设计，是改善植入式传感器生物相容性的研究热点。壳聚糖(chitosan，CS)是一种天然高分子多糖，具有良好的生物降解性与生物相容性，使其在组织工程和传感器修饰领域具有良好的应用前景。
　　 本文在研究CS膜在体生物相容性的基础上，利用模板浸取法制备了多孔壳聚糖膜(porous chitosan membrane，PCSM)，分析交联度、CS浓度和致孔剂硅胶用量等因素对其理化特性的影响；然后分别制备PCSM与离子交换膜(Nafion)和聚四氟乙烯(polytetrafluorethylene，PTFE)的复合体，研究其在体生物相容性。
　　 实验材料与方法：
　　 1、实验材料试剂与主要仪器
　　 实验主要材料包括：壳聚糖（脱乙酰度为92.5％，上海伟康生物制品有限公司）、Nafion膜(NRE212，杜邦公司)、致孔剂硅胶（粒径200-300目）；实验所用试剂纯度均为分析纯。主要用到的仪器包括：恒温磁力搅拌器(85-2，苏州)，电子分析天平(BP211D，赛多利斯，德国)，扫描电子显微镜(InspectF50，FEI，荷兰)，显微图像采集系统(OLYMPUSBX，日本)，图像分析软件IPP6.0(Image Pro Plus6.0)。
　　 2、实验方法
　　 首先，本实验对制备的CS膜进行体外表征，并短期植入到大鼠肌肉内与Nafion膜对比两者的组织相容性；然后，制备7种PCSM并表征其理化参数（表观密度、溶胀度、平均孔径和孔隙率）；最后，组装了PCSM-Nafion/PTFE复合体并植入到大鼠皮下，评价材料周围组织成分的变化与血管增生的动态过程。
　　 实验结果：
　　 1、CS膜的体外表征与体内生物相容性
　　 实验结果显示CS膜的厚度、溶胀率、表观密度等可以通过浓度、铸膜液体积来控制；CS膜皮下植入引起的炎症反应较肌肉植入重，63天皮下植入的降解率为（17.0±9.9）％。肌肉植入的Nafion引起材料周围纤维包膜的厚度与CS膜相比没有显著性差异(P＞0.05)，两者均在15天后趋于稳定。
　　 2、PCSM的制备与表征
　　 结果显示，随着CS膜交联度的增加，PCSM的溶胀度与孔隙率随之增大，表观密度与孔径随之减小；切片法与密度法计算得到的结果一致。PCSM的表观密度随着CS浓度的增加而增大，但随着致孔剂硅胶量的增加而减小；使用10倍量硅胶，2％浓度的CS溶液制得的多孔膜PCS210在孔径阈值为20μm时平均孔径为(38.5±3.0)μm，比交联组都大，且孔隙率达70％以上。对比7种PCSM在体外溶菌酶作用下的降解率，6天降解率PCS210最低(45％)。
　　 3、PCSM及复合体皮下植入的生物相容性分析
　　 结果显示，单独PCSM短期皮下植入，45天时膜外胶原含量比膜内胶原含量高(P＜0.05)，膜内血管密度达到1.65％。PCSM-Nafion/PTFE复合体长期皮下植入，随着组织长入PCSM内部，膜内胶原沉积比膜外少，而且膜内血管密度比膜外高，但是膜内外的差异随时间减小；与光滑Nafion和PTFE相比，PCSM的存在明显降低了纤维包膜的致密性（膜外胶原成分降低），增加了血管增生而且在100天后膜外血管密度依然高达（4.04±2.07）％。
　　 结论：
　　 CS膜能生物降解，与Nafion膜均有较好的生物相容性；模板浸取法制备的PCSM具有70％的孔隙率，与Nafion和PTFE材料组合，明显降低这两种材料形成纤维包膜的致密性，增加了血管增生，改善其生物相容性。
　　 因此认为，将我们制备的PCSM，应用于植入式传感器保护膜的设计，对降低其周围纤维包膜致密性，提高传感器近距离的血液供应是有效的。

目录

文摘

英文文摘

英文缩略语

第一部分绪论

1、研究背景

2、植入式传感器的生物相容性研究进展

3、多孔壳聚糖膜

4、本实验的研究目标

第二部分壳聚糖膜的制备与表征以及肌肉植入研究

1、实验部分

1.1、材料试剂与仪器

1.2、实验方法

2、实验结果与讨论

2.1、CS膜的理化参数

2.2、CS膜的体内降解与表面形貌改变

2.3、纽织的形态学变化

2.4、讨论

第三部分多孔壳聚糖膜的制备与表征

1、实验部分

1.1、材料试剂与仪器

1.2、实验方法

2、实验结果与讨论

2.1、PCSM理化参数的表征

2.2、PCSM的生物降解性

2.3、讨论

第四部分保护膜的设计及皮下植入生物相容性研究

1、实验部分

1.1、材料试剂与仪器

1.2、实验方法

2、实验结果

2.1、大体观察

2.2、PCSM短期皮下植入的组织学分析

2.3、PCSM-Nafion/PTFE复合体长期皮下植入的组织学分析

3、讨论与结论

本研究创新性的自我评价

参考文献

综述 植入周围纤维包膜的表征

参考文献

在学期间科研成绩

致谢

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