專利名稱：：皮下植入式葡萄糖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種皮下植入式葡萄糖傳感器，尤其涉及一種以針狀式參考電極、工作電極中固定有葡萄糖氧化酶為基礎(chǔ)的皮下植入式的葡萄糖傳感器。
背景技術(shù)：
：連續(xù)血糖測(cè)量對(duì)糖尿病患者的治療非常重要，只有對(duì)血糖連續(xù)測(cè)量才可以有效控制胰島素的用量和提前預(yù)報(bào)低血糖癥的發(fā)生。在連續(xù)血糖測(cè)量系統(tǒng)中葡萄糖傳感器是至關(guān)重要的，也是目前尚未解決的難題，到現(xiàn)在為止現(xiàn)有的葡萄糖傳感器的研究，已經(jīng)逐步應(yīng)用到臨床?？紤]到外科手術(shù)的便利、安全性和需要更換傳感器的實(shí)際情況，大部分傳感器的植入都選擇在皮下。如有人申請(qǐng)了名稱為"血液接觸傳感器"的PCT申請(qǐng)，國(guó)際申請(qǐng)日為2005年09月08日，國(guó)際公開日為2006年03月16日，國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2005/032102，國(guó)際公布號(hào)為WO/2006/029293。該裝置特別適用于傳感器直接接觸到在體內(nèi)的血液。該裝置包括一個(gè)傳感器可以檢測(cè)到樣品的存在及其的裝配工具。裝配工具有一個(gè)傳感器終端，固定在傳感器上，以及裝配工具是適合與靜脈流裝置聯(lián)合使用。通過與靜脈流裝置聯(lián)合使用，裝配工具把傳感器直接與靜脈流中的血液接觸。靜脈流裝置使傳感器直接接觸包含一些物質(zhì)的血液，但不僅限于用于靜脈導(dǎo)管和外部血液循環(huán)，如用于額外的氧化膜或血液透析。對(duì)于以氧電極為基礎(chǔ)的葡萄糖傳感器性能變壞的主要原因是在皮下氧濃度降低，使傳感器的測(cè)量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際要求，所以需要設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的傳感器。在生物傳感器的研制中，傳統(tǒng)的方法是采用手工制造，但在手工制造中的影響因素較多，使傳感器間的性能相差很多，相互兼容性和一致性都很差。傳感器的大小，傳感器的設(shè)計(jì)、膜的厚度決定傳感器的性能、相互兼容性和一致性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中皮下氧濃度降低使葡萄糖傳感器的測(cè)量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際要求的不足，提供了一種靈敏度高、線性范圍廣泛的葡萄糖傳感器。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案得以解決皮下植入式葡萄糖傳感器，包括一個(gè)針狀式參考電極和至少一個(gè)針狀式工作電極，工作電極包括導(dǎo)電層和酶膜層，其特征在于所述工作電極還包括內(nèi)疏水層、高分子材料控制擴(kuò)散層和外疏水層，導(dǎo)電層、內(nèi)疏水層、酶膜層、高分子材料控制擴(kuò)散層及外疏水層由里至外依次覆蓋而成。作為優(yōu)選，導(dǎo)電層是一圓柱形鉑基體；內(nèi)疏水層的材料選用硅膠或醋酸纖維；酶膜層內(nèi)含有葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶；髙分子材料控制擴(kuò)散層的材料采用醋酸纖維素、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚亞安酯、聚四氟乙烯或聚氨酯中的任意一種；外疏水層的材料為硅膠。作為優(yōu)選，內(nèi)疏水層的材料醋酸纖維；高分子材料控制擴(kuò)散層的材料醋酸纖維素，聚碳酸酯或聚乙烯醇。導(dǎo)電層表面覆蓋一層內(nèi)疏水層，內(nèi)疏水層是一層絕緣高分子膜，材料可以選用硅膠或醋酸纖維，優(yōu)選為醋酸纖維；內(nèi)疏水層只允許氧和過氧化氫通過，把葡萄糖和一些干擾物如抗壞血酸等進(jìn)行隔離。酶膜層覆蓋在內(nèi)疏水層表面，酶膜層內(nèi)含有葡萄糖氧化酶過氧化氫酶，是一層酶膠層。酶膜層可以氧化葡萄糖和過氧化氫。高分子材料控制擴(kuò)散層覆蓋在酶膜層表面，是一層親水性高分子層，采用醋酸纖維素、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚亞安酯、聚四氟乙烯或聚氨酯中的任意一種，優(yōu)選醋酸纖維素，聚碳酸酯和聚乙烯醇。高分子材料控制擴(kuò)散層可以阻止酶的流失，減緩較大分子如蛋白等的擴(kuò)散，減少電極干擾，還可以通過限制葡萄糖擴(kuò)散到電極的量來增加傳感器的檢測(cè)線性范圍。通常高分子材料控制擴(kuò)散層氧的浸透性大于葡萄糖的浸透性，因而可以改善工作電極對(duì)氧的依賴。外疏水層覆蓋在高分子材料控制擴(kuò)散層表面，材料為硅膠。硅膠能滲透氧而不能滲透葡萄糖。作為優(yōu)選，導(dǎo)電層的半徑R5為200300(im，長(zhǎng)度L5大于5mm;內(nèi)疏水層的厚度R4為1020|im，長(zhǎng)度L4為45mm;酶膜層的厚度R3為1520pm，長(zhǎng)度L3為2.53.5mm;高分子材料控制擴(kuò)散層的厚度R2為2040pm，長(zhǎng)度L2為45mm;外疏水層的厚度R1為1020|im,長(zhǎng)度L1為22.5mm。作為優(yōu)選，導(dǎo)電層的厚度R5為210220pm;內(nèi)疏水層的厚度R4為16pm,長(zhǎng)度L4為5mm;酶膜層的厚度R3為16pm，長(zhǎng)度L3為3mm;高分子材料控制擴(kuò)散層的厚度R2為25pm，長(zhǎng)度L2為5mm;外疏水層的厚度Rl為16pm，長(zhǎng)度Ll為2.5mm。導(dǎo)電層半徑越大，傳感器的性能越穩(wěn)定，但對(duì)人體的創(chuàng)傷也越大。本發(fā)明的導(dǎo)電層半徑適中，傳感器性能穩(wěn)定且對(duì)人體創(chuàng)傷較小。內(nèi)疏水層太厚會(huì)影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間，本發(fā)明的內(nèi)疏水層厚度既能達(dá)到有效隔離葡萄糖和一些干擾物質(zhì)又使傳感器響應(yīng)時(shí)間較短，本發(fā)明的內(nèi)疏水層長(zhǎng)度滿足傳感器植入人體部分，并且能夠覆蓋整個(gè)電極可有效隔離葡萄糖和一些干擾物質(zhì)。本發(fā)明的高分子材料控制擴(kuò)散層可完全覆蓋酶膜層，有效阻止酶膜層中酶的流失。作為優(yōu)選，皮下植入式葡萄糖傳感器的參考電極為銀/氯化銀電極。作為優(yōu)選，酶膜層固定在內(nèi)疏水層的中間段；高分子材料控制擴(kuò)散層內(nèi)設(shè)有凹槽，凹槽兩端設(shè)有凹槽左端頭和凹槽右端頭，高分子材料控制擴(kuò)散層置于兩個(gè)凹槽端頭內(nèi)；外疏水層為左右兩段，左段位于凹槽左端頭徑向延伸線的左側(cè)，右段位于凹槽右端頭徑向延伸線的右側(cè)。不同的外疏水層長(zhǎng)度可以控制葡萄糖滲入的濃度，從而達(dá)到控制葡萄糖與氧的濃度比。酶膜層固定在內(nèi)疏水層的中間段，在酶膜層的正上方兩側(cè)的高分子材料控制擴(kuò)散層表面固定外疏水層。酶膜上方只有擴(kuò)散層而沒有外疏水層，擴(kuò)散層可以擴(kuò)散和滲透氧和葡萄糖，因此葡萄糖可以進(jìn)入到酶膜內(nèi)的有效面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氧可進(jìn)入到酶膜的面積。葡萄糖只能從酶膜上的高分子擴(kuò)散層上方進(jìn)入酶膜，而氧還可以通過從酶膜上方外的外疏水層再進(jìn)入到酶膜，參加葡萄糖氧化酶的酶促反應(yīng)。所以酶膜內(nèi)的氧的相對(duì)濃度要大于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的傳感器的氧濃度，這樣可以控制葡萄糖與氧滲入傳感器的濃度比例。而葡萄糖的進(jìn)入到酶膜的濃度也要相對(duì)小于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的傳感器的葡萄糖濃度。因此本發(fā)明可以提高傳感器的葡萄糖測(cè)量范圍，分析性能更穩(wěn)定。外疏水層為左右兩段時(shí)，所述的L1指的是總長(zhǎng)度，而每段的長(zhǎng)度就為L(zhǎng)1的一半。一種制作皮下植入式葡萄糖傳感器的方法-內(nèi)疏水層通過浸漬的方式結(jié)合在導(dǎo)電層的表面；酶膜層以戊二醛為交聯(lián)劑，以牛血清蛋白或環(huán)糊精或明膠為載體，通過交聯(lián)法和共價(jià)鍵合法固定在內(nèi)疏水層表面上；高分子材料控制擴(kuò)散層采用涂布或浸漬的方式固定在酶膜層表面；外疏水層涂布覆蓋在高分子材料控制擴(kuò)散層表面。酶膜層固定在內(nèi)疏水層表面上，與內(nèi)疏水層形成空間網(wǎng)格膜，優(yōu)點(diǎn)在于保持酶膜層中的酶的活性不受很大的損失，而且酶膜層不易從內(nèi)疏水層上脫落下來。酶膜層固定在工作電極的中央部位。高分子材料控制擴(kuò)散層可以采用涂布或浸漬的方式固定在酶膜層表面。外疏水層涂布覆蓋在擴(kuò)散層表面，酶膜層正上方不得有外疏水層。導(dǎo)電層是一圓柱形鉑基體，鉑電極表面采用氧離子刻蝕法使表面活化。鉑電極表面采用氧離子刻蝕法使表面活化，可增大鉑電極的比表面積。大的鉑表面積能有效增大傳感器電流信號(hào)輸出的信躁比，提高電極表面的親水性，從而減少酶損失。分析在電極的氧和葡萄糖的擴(kuò)散和反應(yīng)關(guān)系如下氧和葡萄糖在體內(nèi)組織液的濃度相差甚遠(yuǎn)，在皮下對(duì)于糖尿病患者的葡萄糖濃度的范圍大約在2.0到30mmol/L，氧的濃度大約為0.02mmol/L，也即在皮下氧的濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于葡萄糖的濃度，故必須增加氧的滲透面積才能使氧的濃度與葡萄糖的濃度比達(dá)到滿足于方程式的濃度-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>傳感器設(shè)計(jì)的內(nèi)疏水層和外疏水層不能滲透葡萄糖，而只能滲透擴(kuò)散氧。在酶膜內(nèi)包含有固定化的葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶。酶膜正上方只有擴(kuò)散層而沒有外疏水層，擴(kuò)散層可以擴(kuò)散和滲透氧和葡萄糖。因而葡萄糖可以進(jìn)入到酶膜內(nèi)的有效面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氧可以進(jìn)入到酶膜的面積，也即氧的濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葡萄糖的濃度。本發(fā)明傳感器植入部位為皮下組織，皮下葡萄糖檢測(cè)范圍在1.5~40mmol/L。按照本發(fā)明的技術(shù)方案，改進(jìn)和優(yōu)化了實(shí)際葡萄糖傳感器的性能、相互兼容性和一致性。圖l葡萄糖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為工作電級(jí)的剖視圖。圖4為7個(gè)傳感器在體外磷酸鹽緩沖試劑的葡萄糖溶液測(cè)試結(jié)果圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述實(shí)施例l,皮下植入式葡萄糖傳感器，如圖l、2、3所示，包括一個(gè)針狀式參考電極2和至少一個(gè)針狀式工作電極l，工作電極1包括導(dǎo)電層7和酶膜層5，其特征在于所述工作電極1還包括內(nèi)疏水層6、高分子材料控制擴(kuò)散層4和外疏水層3，導(dǎo)電層7、內(nèi)疏水層6、酶膜層5、高分子材料控制擴(kuò)散層4及外疏水層3由里至外依次覆蓋而成。在本實(shí)施例中導(dǎo)電層7是一圓柱形鉑基體；內(nèi)疏水層6的材料選用醋酸纖維；酶膜層5內(nèi)含有葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶；高分子材料控制擴(kuò)散層4的材料采用醋酸纖維素；外疏水層3的材料為硅膠。酶膜層5固定在內(nèi)疏水層6的中間段；高分子材料控制擴(kuò)散層4內(nèi)設(shè)有凹槽53，凹槽53兩端設(shè)有凹槽左端頭51和凹槽右端頭52，高分子材料控制擴(kuò)散層4置于兩個(gè)凹槽端頭51、52內(nèi)；外疏水層3為左右兩段31、32，左段31位于凹槽左端頭51徑向延伸線511的左側(cè)，右段32位于凹槽右端頭52徑向延伸線521的右側(cè)。其中8為傳感器的中心線。葡萄糖只能從酶膜層5的高分子材料控制擴(kuò)散層4上方進(jìn)入酶膜層5，而氧還可以通過從酶膜層5上方外的外疏水層3再進(jìn)入到酶膜層5，參加葡萄糖氧化酶的酶促反應(yīng)。葡萄糖可以進(jìn)入到酶膜層5內(nèi)的有效面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氧可進(jìn)入到酶膜層5的面積。酶膜層5內(nèi)的氧的相對(duì)濃度要大于傳統(tǒng)的傳感器的氧濃度，而葡萄糖進(jìn)入到酶膜層5的濃度也相對(duì)小于傳統(tǒng)的傳感器的葡萄糖濃度。按照下列厚度R和長(zhǎng)度L參數(shù)制備7個(gè)相同的葡萄糖傳感器。參數(shù)鉑電極內(nèi)疏水層酶膜層高分子材料控制擴(kuò)散層外疏水層厚度(R)R5=22(VmR4:16(imR3=16pmRl=16jim長(zhǎng)度a)L5=5mmL4=5mmL3=3mmL2=5mmLl=2.5mm表l:7個(gè)葡萄糖傳感器尺寸參數(shù)表這7個(gè)葡萄糖傳感器在體外磷酸鹽緩沖試劑的葡萄糖溶液測(cè)試，測(cè)試電壓正負(fù)極電壓差為0.55V,測(cè)試結(jié)果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2:7個(gè)傳感器在體外磷酸鹽緩沖試劑的葡萄糖溶液測(cè)試結(jié)果表(單位nA)在保證臨床使用條件下，本發(fā)明葡萄糖傳感器葡萄糖線性測(cè)試大于30mmol/L,線性檢測(cè)上線高，線性達(dá)到99.89%;靈敏度為28nA/(mmol/L)，靈敏度較好；各傳感器的性能一致、穩(wěn)定。因而本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳感器線性范圍廣泛(可至1.540mmol/L)，靈敏度好，性能穩(wěn)定。實(shí)施例2，皮下植入式葡萄糖傳感器，大致的構(gòu)造和實(shí)驗(yàn)條件相同，所不同的地方僅為如下。內(nèi)疏水層6的材料選用硅膠而不是選用醋酸纖維；高分子材料控制擴(kuò)散層4的材料采用聚乙烯醇而不是醋酸纖維素；按照下列厚度R和長(zhǎng)度L參數(shù)也制備7個(gè)相同的葡萄糖傳感器(即傳感器8至傳感器14)。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表4:7個(gè)傳感器在體外磷酸鹽緩沖試劑的葡萄糖溶液測(cè)試結(jié)果表(單位tlA)在保證臨床使用條件下，本發(fā)明葡萄糖傳感器葡萄糖線性測(cè)試大于26mmol/L，線性檢測(cè)上線高，線性達(dá)到99.82%;靈敏度為27.5nA/(mmol/L)，靈敏度較好；各傳感器的性能一致、穩(wěn)定。因而本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳感器線性范圍廣泛(可至1.540mmol/L)，靈敏度好，性能穩(wěn)定。實(shí)施例3，制作實(shí)施例1的皮下植入式葡萄糖傳感器的方法葡萄糖傳感器有兩個(gè)工作電極1和一個(gè)參考電極2，工作電極1和參考電極2可固定在一個(gè)底座上。內(nèi)疏水層6通過浸漬的方式結(jié)合在導(dǎo)電層7的表面；導(dǎo)電層7是一圓柱形鉑基體，鉑電極表面采用氧離子刻蝕法使表面活化。酶膜層5以戊二醛為交聯(lián)劑，以牛血清蛋白為載體，通過交聯(lián)法和共價(jià)鍵合法固定在內(nèi)疏水層6表面上；高分子材料控制擴(kuò)散層4采用涂布的方式固定在酶膜層5表面；外疏水層3涂布覆蓋在高分子材料控制擴(kuò)散層4表面。用該方法制備的傳感器可以達(dá)到實(shí)施例1所述的效果。實(shí)施例4,制作實(shí)施例2的皮下植入式葡萄糖傳感器的方法與實(shí)施例3不同的是酶膜層5以戊二醛為交聯(lián)劑，以明膠為載體，通過交聯(lián)法和共價(jià)鍵合法固定在內(nèi)疏水層6表面上；高分子材料控制擴(kuò)散層4采用浸漬的方式固定在酶膜層5表面；外疏水層3涂布覆蓋在高分子材料控制擴(kuò)散層4表面。其它步驟與實(shí)施例3相同。用該方法制備的傳感器可以達(dá)到實(shí)施例2所述的效果?？傊?，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。權(quán)利要求1.皮下植入式葡萄糖傳感器，包括一個(gè)針狀式參考電極(2)和至少一個(gè)針狀式工作電極(1)，工作電極(1)包括導(dǎo)電層(7)和酶膜層(5)，其特征在于所述工作電極(1)還包括內(nèi)疏水層(6)、高分子材料控制擴(kuò)散層(4)和外疏水層(3)，導(dǎo)電層(7)、內(nèi)疏水層(6)、酶膜層(5)、高分子材料控制擴(kuò)散層(4)及外疏水層(3)由里至外依次覆蓋而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮下植入式葡萄糖傳感器，其特征在于導(dǎo)電層(7)是一圓柱形鉑基體；內(nèi)疏水層(6)的材料選用硅膠或醋酸纖維；酶膜層(5)內(nèi)含有葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶；.高分子材料控制擴(kuò)散層(4)的材料采用醋酸纖維素、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚亞安酯、聚四氟乙烯或聚氨酯中的任意一種；外疏水層(3)的材料為硅膠。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的皮下植入式葡萄糖傳感器，其特征在于內(nèi)疏水層(6)的材料醋酸纖維；高分子材料控制擴(kuò)散層(4)的材料醋酸纖維素，聚碳酸酯或聚乙烯醇。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮下植入式葡萄糖傳感器，其特征在于導(dǎo)電層(7)的半徑R5為200300,，長(zhǎng)度L5大于5mm;內(nèi)疏水層(6)的厚度R4為1020pm，長(zhǎng)度L4為45mm;酶膜層(5)的厚度R3為1520pm，長(zhǎng)度L3為2.53.5mm;高分子材料控制擴(kuò)散層(4)的厚度R2為2040pm，長(zhǎng)度L2為45mm;外疏水層(3)的厚度R1為1020pm，長(zhǎng)度L1為22.5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的皮下植入式葡萄糖傳感器，其特征在于導(dǎo)電層(7)的厚度R5為210220pm;內(nèi)疏水層(6)的厚度R4為16nm，長(zhǎng)度L4為5mm;酶膜層(5)的厚度R3為16pm，長(zhǎng)度L3為3mm;高分子材料控制擴(kuò)散層(4)的厚度R2為25pm,長(zhǎng)度L2為5mm;外疏水層(3)的厚度R1為16拜，長(zhǎng)度L1為2.5mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮下植入式葡萄糖傳感器，其特征在于參考電極(2)為銀/氯化銀電極。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的皮下植入式葡萄糖傳感器，其特征在于:酶膜層(5)固定在內(nèi)疏水層(6)的中間段；高分子材料控制擴(kuò)散層(4)內(nèi)設(shè)有凹槽(53)，凹槽(53)兩端設(shè)有凹槽左端頭(51)和凹槽右端頭(52)，高分子材料控制擴(kuò)散層(4)置于兩個(gè)凹槽端頭(51、52)內(nèi)；外疏水層(3)為左右兩段(31、32)，左段(31)位于凹槽左端頭(51)徑向延伸線(511)的左側(cè)，右段(32)位于凹槽右端頭(52)徑向延伸線(521)的右側(cè)。專利摘要本實(shí)用新型公布了一種皮下植入式葡萄糖傳感器，包括一個(gè)針狀式參考電極(2)和至少一個(gè)針狀式工作電極(1)，工作電極(1)包括導(dǎo)電層(7)和酶膜層(5)，所述工作電極(1)還包括內(nèi)疏水層(6)、高分子材料控制擴(kuò)散層(4)和外疏水層(3)，導(dǎo)電層(7)、內(nèi)疏水層(6)、酶膜層(5)、高分子材料控制擴(kuò)散層(4)及外疏水層(3)由里至外依次覆蓋而成。按照本實(shí)用新型的技術(shù)方案，改進(jìn)和優(yōu)化了實(shí)際葡萄糖傳感器的性能、相互兼容性和一致性。文檔編號(hào)A61B5/1486GK201398971SQ20092011808公開日2010年2月10日申請(qǐng)日期2009年4月20日優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日發(fā)明者李熊飛,程榮恩,峰章申請(qǐng)人:湖州艾木奇生物科技咨詢服務(wù)有限公司