两性离子生物相容性材料的制备及其在植入式葡萄糖传感器中的应用研究

摘要

在植入式传感器开发中，传感器在体内使用的长期稳定性是最重要的性能指标之一。尤其是近几十年的研究已经大大提高了传感器的灵敏度、线性区间、准确性等指标[1]，使得稳定性的重要性尤为突出。植入式传感器在体内复杂生理条件下工作，受排异反应(foreign body reaction，FBR)等诸多因素影响。其中非特异性蛋白质吸附，叉称生物污染(biofouling)是最早发生的关键反应。尽管近年来已经有不少研究在抗生物污染材料上取得了一些进展，针对植入式传感器的相关研究并不多见。这些抗污材料如何应用到生物传感器，它们对传感器长期工作的稳定性有何影响等诸多问题都值得研究。本文以两性离子材料硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)为主要对象，通过电聚合、电化学诱发的原子转移自由基聚合(eATRP)等方法;研究了聚硫代甜菜碱丙烯酸甲酯(pSBMA)包被在植入式传感器上的性质、表征、抗蛋白吸附特性;并研究了其在体外、体内环境下对传感器综合性能的影响。主要工作内容如下:
　　第一，通过使用常规电聚合方法，可以将SBMA单体聚合到电极表面;结果表明，SBMA单体可以通过循环伏安法聚合(CVA)方式聚合到金属电极表面，其厚度随循环数增加;聚合物层抗吸附能力与膜厚有关，非常薄的涂层即可获得良好的抗吸附能力。实验中在2循环，21nm厚的涂层上取得了最佳抗污效果，其相对蛋白吸附率为21.4％。更厚的涂层并不能带来更好的性能。体外血清蛋白吸附实验显示，pSBMA涂层可有效延长葡萄糖传感器使用寿命。
　　第二，利用eATRP技术，成功将SBMA单体聚合到金电极表面;同时，初步研究了不同的聚合条件包括聚合电压、聚合时间对聚合物厚度、抗蛋白吸附能力的影响;随后对聚合物进行了表征;最后分别从体外模拟和体内植入两个方面，对电极实际性能做了测试。实验结果显示，通过eATRP技术，两性离子材料SBMA可以聚合到金电极表面，其聚合速度受到工作电压影响;通过控制工作电压，可以精细调整[Cu+]，进而控制聚合速度，同时，聚合速度还影响了聚合物抗吸附性能。通过酶联免疫吸附测试(ELISA)可知，电诱导聚合的pSBMA涂层具有优异的抗蛋白吸附效果，可以使蛋白吸附量降低到对照的0.8％，这一结果优于大部分其他研究。在体外电极阻抗测试中，pSBMA涂层可以大大缩短电极进入平衡状态的时间（数分钟）;可有效降低电极整体阻抗，减小工作电流衰减，;动物体内实验获得一致结果。
　　第三，研究开发了一种制备酶传感器电极的通用方法，提出整体二次溴化技术，可以在保持酶活性的前提下，利用eATRP技术，在具有复杂表面拓扑结构的酶电极表面聚合有极低蛋白吸附能力的pSBMA涂层。通过ELISA比较具有不同涂层的电极表面吸附蛋白情况说明，裸铂电极、聚苯胺(pANi)包被电极、聚氨酯(PU)包被电极都会强烈吸附蛋白，pSBMA涂层可以有效降低蛋白吸附量。在对电极进行整体二次溴化之后，pSBMA涂层缺陷更少，生物抗污能力将进一步提高。在对比不同聚合时间的影响后，发现-0.4V工作电压下，聚合3小时的凝胶层最多可以抑制超过99％的蛋白质非特异性吸附。体外模拟测试中，包被电极置于在37℃未稀释血清环境中储存15天，同时能够保持最多94％的相对灵敏度，且相对灵敏度漂移小于7％，同期PU包被电极灵敏度损失超过30％。pSBMA涂层性能明显优于PU涂层电极，在总体稳定性上，也优于商业运用的Dexcom G4葡萄糖传感器电极。

目录

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摘要

图目录

表目录

缩写、符号清单、术语表

第1章 绪论

1．1 传感器的生物相容性

1．1．1 概念、来源、过程

1．1．2 生物相容性对传感器性能的影响

1．1．3 影响生物相容性的主要因素及应对

1．2 生物污染Biofouling

1．2．1 概念

1．2．2 生物污染的影响

1．2．3 常见的抗污材料

1．2．4 聚合物合成方法

1．2．5 抗污材料的应用

1．3 课题来源和主要工作内容

1．3．1 两性高子材料在金属电极上的电聚合研究

1．3．2 两性离子材料在金属电极表面ATRP合成及其对金属电极性能的影响

1．3．3 两性离子材料在植入式酶电极表面的合成及其对传感器性能的影响

第2章 电聚合SBMA的金属电极性能研究

2．1．1 SBMA

2．1．2 两性离子电聚合方法

2．2 实验部分

2．2．1 实验所用仪器与设备

2．2．2 实验所用试剂

2．2．3 电极制备

2．2．4 SBMA在电极表面电聚合

2．2．5 椭圆偏振光谱测定膜厚

2．2．6 抗吸附能力检测

2．2．7 电聚合SBMA在体外对葡萄糖传感器的影响

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 电极的制备

2．3．2 电极表面聚合物表征

2．3．3 抗蛋白吸附效果与膜厚的关系

2．3．4 pSBMA对植入式葡萄糖电极稳定性的影响

2．4 本章小结

第3章 eATRP聚合SBMA的金属电极性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验所用试剂

3．2．2 实验所用仪器与设备

3．2．3 引发剂的合成

3．2．4 Au-Si工作电极的制备

3．2．6 SBMA的eATRP

3．2．7 抗蛋白吸附性能测试

3．2．8 聚合物膜厚度测定

3．3．1 引发剂的SAM和Si-Au电极

3．3．2 电化学表现

3．3．3 SBMA的电聚合

3．3．4 电极表征

3．2．5 电极抗蛋白吸附效果测试

3．3．6 在体实验中电极稳定性测试

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料与仪器

4．2．2 蛋白质引发体制备

4．2．3 酶电极的制备

4．2．4 酶电极的整体二次溴化

4．2．5 eATRP过程

4．2．6 电极抗蛋白吸附效果ELISA测试

4．2．7 体外稳定性对比实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 溴化对葡萄糖传感器灵敏度的影响

4．3．2 电化学表现

4．3．3 SBMA的聚合

4．3．4 抗蛋白吸附效果

4．3．5 体外试验中聚合物对植入式酶电极长期工作稳定性的影响

4．4 本章小结

第5章 结论与建议

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 对未来工作的建议

作者就读期间发表论文情况

致谢

参考文献