可降解柔性电化学生物传感器的制备及其应用

Flexible electrochemical biosensor is expected to play a key role in the field of health care, which has received considerable interest of domestic and international researchers. The "development bottlenecks" in the field of flexible electrochemical biosensors are the poor biocompatibility, the failure of biodegradability and the frustration of achieving conformal contact with biological tissues. To solve these problems, silk fibroin and its composite materials which have the excellent mechanical properties and biocompatibility is proposed to be used as source material for supporting substrate and coating film of electrochemical biosensor. The ion-selective electrode and the reference electrode based on silk fibroin membrane or functional silk fibroin membrane was prepared by using micromachining technology and physical / electroless deposition. Ultimately, integration the flexible electrochemical biosensor for monitoring of the components in the skin fluid. At the same time, the controlled biodegradation of flexible electrochemical biosensor will be achieved by controlling the secondary structure and the β nanocrystalline network structure of the silk fibroin membrane. The results of this project will help to resolve the presently exist problems in restricting the development of flexible electrochemical biosensors. The investigations and applications of the biodegradable flexible electrochemical biosensors will be wider.

柔性电化学生物传感器有望在医疗保健领域发挥关键作用，因此引起了越来越多国内外研究者的关注。着眼于目前柔性电化学生物传感器领域的发展瓶颈：生物相容性差、无法生物降解、不能实现与生物组织良好的保型接触，本项目拟利用蚕丝蛋白及其复合材料优秀的力学性能及生物相容性，以蚕丝蛋白膜为电化学生物传感器的衬底及包封材料，并利用微加工及物理/无电化学沉积等方式，制备基于蚕丝蛋白膜或功能化蚕丝蛋白膜的离子选择性电极及参比电极，从而得到集成化的柔性电化学生物传感器，应用于表皮体液中的成分的检测。同时，通过控制蚕丝蛋白膜的二级结构及β纳米晶网络结构，最终实现降解时间可控的柔性电化学生物传感器的制备。本项目研究体系新颖，有利于解决目前限制柔性电化学生物传感器发展的关键性问题，必将具有十分广阔的研究和应用前景。

生物相容性差、无法生物降解、不能实现与生物组织良好的保型接触等问题是目前制约柔性电化学生物传感器发展的显著瓶颈。本项目利用蚕丝蛋白及其复合材料优秀的力学性能及生物相容性，利用功能化蚕丝蛋白材料优异的传感灵敏性，结合微加工及物理/无电化学沉积等方式，制备出基于蚕丝蛋白膜及功能化蚕丝蛋白材料的工作电极（酶型、非酶型电极）、参比电极和对电极，集成化得到性能良好的多类型可降解柔性电化学生物传感器，应用于表皮体液中成分的检测。通过蚕丝蛋白膜及蚕丝蛋白复合膜二级结构及β纳米晶网络结构的调控，两类膜的最大应变超过170%和200%，透光率均优于90%，断裂强度超过35 MPa和70 MPa。对蚕丝蛋白膜的快速热敏性降解探究表明，制备的中间层微球含量为80%时，仅需2.25 min热敏性蚕丝蛋白复合膜即可开始迅速降解。制备的一种将丝素蛋白纳米纤维酶膜与超薄的PtNPs/石墨烯薄膜耦合的稳定皮肤汗液葡萄糖和乳酸监测传感器，表现出长时稳定性和抗干扰能力，其中检测葡萄糖的线性范围为2μM ~ 1 mM，灵敏度达31.02μA mM−1 cm−2，检测乳酸的线性范围为0.4 mM ~ 6 mM，灵敏度达6.68 μA cm−2 [log10 (mM)]−1。制备的一种新型的基于蚕丝蛋白复合膜的介观杂交电化学传感器，以蚕丝蛋白与葡萄糖（乳酸）氧化酶介观杂交膜为功能介质，由于蚕丝蛋白对酶稳定性的保护，相对于初制时的性能，传感器在20天后仍保持较高的灵敏度水平（只减少了5~6%），将该体系传感器应用于无线数据传输可穿戴系统，成功长时检测了测试者午餐前后汗液中葡萄糖和乳酸水平的变化。另外，利用蚕丝蛋白作为一种独特的前体，原位合成出了结构良好、稳定、无浸出的金纳米颗粒掺杂碳质材料，制备了一种可实时检测体液的柔性条带状pH传感器，传感器可实现pH值3到8重复检测，传感器响应斜率为52.97 mV/pH单位，该pH传感器测试8 h后电位偏差值为0.9 mV，表现出了较好的稳定性，同时抗离子干扰能力强。本项目成果在可穿戴大健康检测领域及医疗卫生二类医疗器械方面具有很大的应用价值。