光子晶体水凝胶泪糖传感器制造技术

本发明专利技术属于医疗器械领域，涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器；该传感器由聚苯乙烯微球(PS)1，聚乙烯醇水凝胶(PVA)2，4‑羟基苯硼酸(4‑BBA)3，硬性角膜接触镜4制成。本发明专利技术的泪糖传感器可用于直接佩戴，当葡萄糖分子与4‑BBA的苯硼酸基团结合后，使PVA发生皱缩和溶胀，带动埋植在PVA凝胶内的PS微球之间的光子带隙发生改变，使相应的衍射光波长发生改变，肉眼可见其颜色发生改变。该传感器用于泪糖的检测，具有安全、有效、无创、重复性好、便携、直观的优点，检测所得数据在全身葡萄糖水平的无创实时监测提供科学客观的依据。

Photonic Crystal Hydrogel Tear Sugar Sensor

The invention belongs to the field of medical devices, and relates to a photonic crystal hydrogel lacrimal sugar sensor, which is made of polystyrene microsphere (PS) 1, polyvinyl alcohol hydrogel (PVA) 2, 4 hydroxyphenylboric acid (4 BBA) 3 and hard corneal contact lens 4. The tear sugar sensor of the invention can be used for direct wear. When the glucose molecule is combined with the benzene boric acid group of 4 BBA, the PVA shrinks and swells, which drives the photonic band gap between PS microspheres embedded in PVA gel to change, so that the corresponding diffraction wavelength changes, and the color changes in the naked eye. The sensor is safe, effective, non-invasive, reproducible, portable and intuitive for the detection of lacrimal sugar. The measured data provide scientific and objective basis for non-invasive real-time monitoring of glucose level in the whole body.

【技术实现步骤摘要】
光子晶体水凝胶泪糖传感器
本专利技术属于医疗器械领域，涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器；该传感器可用于泪糖的检测，且具有安全、有效、无创、重复性好、便携、直观的优点，检测所得数据能为糖尿病患者全身葡萄糖水平无创实时监测提供科学客观的依据。
技术介绍
资料显示，近年来，糖尿病患病率呈逐年上升之势，截至2016年1月，全球范围内已有三亿五千万糖尿病患者，其主要表现为机体葡萄糖水平的异常波动，血糖控制不良会加速病程进展，并导致一系列并发症，严重者可威胁生命。目前临床上大多采用末端指尖采血的方式评估糖尿病患者的血糖控制水平，虽已具有较好的时效性，但仍是一种有创而间断的方式。近年来诸多学者致力于研究葡萄糖的实时、无创监测，泪液、尿液、汗液作为体表可以获取的体液成分备受关注，而其中，泪液以其良好的稳定性及易获取性成为当下研究热点。有研究显示，光子晶体做为一种新型拓扑结构材料，在血糖检测领域体现出良好的可能性，然而实践中仍面临低敏感度和较长的反应时间阈等问题。目前，国际上尚无公认测量泪糖的方法，有国外学者利用化学聚合等方式构建泪糖传感器，但该测量仪器构造复杂，涉及多种化学反应，生物安全性受到质疑，且灵敏度低，故无法广泛应用于临床。因此，当前迫切需要新的血糖检测器械问世，基于现有技术的现状，本申请的专利技术人拟提供涉一种新的泪糖检测传感器，具体涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器；该传感器可用于泪糖检测，检测所得数据能为全身葡萄糖水平尤其是血糖的监测提供科学客观的依据。与本专利技术有关的参考文献有：[1].ChuMX,KMiyajima,DTakahashi,etal.Softcontactlensbiosensorforinsitumonitoringoftearglucoseasnon-invasivebloodsugarassessment[J].Talanta.2011,83(3):960-5.[2].MitsubayashiK,YWakabayashi,STanimoto,etal.Optical-transparentandflexibleglucosesensorwithITOelectrode[J].BiosensBioelectron.2003,19(1):67-71.[3].ChuM,HKudo,TShirai,etal.Asoftandflexiblebiosensorusingaphospholipidpolymerforcontinuousglucosemonitoring[J].BiomedMicrodevices.2009,11(4):837-42.[4].IguchiS,HKudo,TSaito,etal.Aflexibleandwearablebiosensorfortearglucosemeasurement[J].BiomedMicrodevices.2007,9(4):603-9.。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术存在的缺陷，提供一种泪糖检测的传感器，尤其涉及一种光子晶体水凝胶泪糖传感器，该传感器具有安全、有效、易携带、易辨识的优点，可用于泪糖检测。本专利技术的光子晶体水凝胶泪糖传感器为一种利用光子晶体光衍射特性用其颜色改变来辨识泪糖改变的仪器，其特征在于，由聚苯乙烯微球(PS)1，聚乙烯醇水凝胶(PVA)2，4-羟基苯硼酸(4-BBA)3，硬性角膜接触镜4组成。本专利技术中，聚苯乙烯微球1，单分散的聚苯乙烯微球用乳液聚合方式制备，制备直径控制在200nm水平，具备良好的均一性。本专利技术中，聚乙烯醇水凝胶2，为聚乙烯醇固体溶于去离子水所得，具备凝胶特性，聚苯乙烯微球可在其中均匀分布，并具备伸缩特性，聚乙烯醇可通过自身空间结构的伸缩改变聚苯乙烯微球之间的粒子间隙。本专利技术中，4-羟基苯硼酸3，其可与葡萄糖分子发生反应，为本葡萄糖传感器的启动点，首先，苯硼酸在碱性溶液中发生羟基化，OH进攻B原子，此时硼酸发生构型转变生成四面体结构的苯硼酸阴离子；其次，四面体的苯硼酸阴离子与糖类分子结合生成五元环酯。所生成的环状酯在酸性溶液中极易水解，反应恢复到苯硼酸化合物和糖类分子，因此，整个传感过程的反应是相互可逆的。本专利技术中，硬性角膜接触镜4，为PMMA制备成，其基本参数为直径11.0，光度0.0，基弧7.3，该参数可根据患者的具体情况而量身定做。本专利技术中，上述的1，2，3，均以4为依托，已经证明角膜接触镜对人角膜具有良好的生物相容性，借助这一特性，泪糖传感器佩戴舒适度可。本专利技术中，泪糖传感器的制备方法可表述为：通过垂直沉降法将PS微球自组装在玻璃基片和角膜接触镜表面，将硬性角膜接触镜用去离子水超声清洗干净，吹干，浸泡到H2O25wt％溶液12h，进行亲水化处理；盖玻片用浓H2SO4-H2O2(7:3，V/V)溶液中6h，并分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15min，并吹干待用；将角膜接触镜固定在盖玻片表面，并垂直贴于玻璃槽内，加入0.3％(m/m)PS微球悬浮液。在60℃的恒温箱内控制溶液匀速挥发，小球通过表面张力慢慢自组装与角膜接触镜表面；称取一定量聚乙烯醇(PVA)固体，加入一定量二甲基亚砜(DMSO)，在N2氛围下升温至120℃，恒温搅拌2h，将0.4g4-醛基苯硼酸(4-BBA)加入上述PVA溶液内，滴定HCl，反应数小时，冷却降温，并配制成10％4-BBA-PVA(w/w)的均匀溶液；将上述制备的PS微球自组装角膜接触镜表面滴涂改性的PVA溶液，并放置5h，将其放入低温环境下，形成PVA物理凝胶；最后将制备的PVA物理凝胶置于含有50mL水的烧杯中，加入10％戊二醛溶液1.5mL作为交联剂，滴加浓硫酸调节pH至1，反应在轻微搅拌下持续4h后，将样品取出用超纯水冲洗终止交联，最终制得光子晶体水凝胶葡萄糖传感器。本专利技术所描述的泪糖传感器可用于直接佩戴在角膜表面，当葡萄糖分子与4-BBA的苯硼酸基团结合后，使PVA发生皱缩和溶胀，带动埋植在PVA凝胶内的PS微球之间的光子带隙发生改变，使相应的衍射光波长发生改变，肉眼可见其颜色发生改变。本专利技术通过上述方法制得的泪糖传感器具有两大优势，一是方法简单，生物安全性可靠；二是可以实现泪糖浓度范围内的葡萄糖浓度的检测。本专利技术的光子晶体水凝胶泪糖传感器使用方法为：患者用食指轻触泪糖传感器外表面，将其黏在手指前端，另一手辅助抬起上下眼皮，然后将泪糖传感器一边先贴附于角膜表面，缓慢推至整个泪糖传感器贴附，转动眼球，挤压可能存在的空气，泪糖传感器可通过瞬目运动及泪液的分布接触泪液，传感器直接佩戴在糖尿病患者眼表，通过其颜色改变并比对参照颜色来间接实现血糖水平的监测。可以根据角膜接触镜的性能日抛、月抛等。附图说明图1光子晶体水凝胶葡萄糖传感器的构建过程流程图，其中，1为聚苯乙烯微球，2为聚乙烯醇水凝胶，3为4-羟基苯硼酸，4为PMMA制备的角膜接触镜。图2光子晶体水凝胶葡萄糖传感器的实物图及示意图，其中，1为聚苯乙烯微球规则排列的晶胶阵列，2、3为4-羟基苯硼酸修饰的聚乙烯醇水凝胶，4为PMMA制备的角膜接触镜。图3胶体微球自组装成晶胶阵列的光衍射特性示意图。图4乳液聚合反应装置示意图，其中，1，搅拌器；2，控温器；3，氮气；4，恒压漏斗；5，冷凝管；6，四口烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光子晶体水凝胶泪糖传感器，为利用光子晶体光衍射特性用其颜色改变来辨识泪糖改变的仪器，其特征在于，由聚苯乙烯微球(PS)(1)，聚乙烯醇水凝胶(PVA)(2)，4‑羟基苯硼酸(4‑BBA)(3)，硬性角膜接触镜(4)制成。

【技术特征摘要】
1.光子晶体水凝胶泪糖传感器，为利用光子晶体光衍射特性用其颜色改变来辨识泪糖改变的仪器，其特征在于，由聚苯乙烯微球(PS)(1)，聚乙烯醇水凝胶(PVA)(2)，4-羟基苯硼酸(4-BBA)(3)，硬性角膜接触镜(4)制成。2.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚苯乙烯微球(1)，单分散的聚苯乙烯微球用乳液聚合方式制备，制备直径控制在200nm水平，具备良好的均一性。3.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚乙烯醇水凝胶(2)，为聚乙烯醇固体溶于去离子水所得，具备凝胶特性，聚苯乙烯微球在其中均匀分布，并具备伸缩特性，聚乙烯醇可通过自身空间结构的伸缩改变聚苯乙烯微球之间的粒子间隙。4.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的4-羟基苯硼酸(3)，其与葡萄糖分子发生反应，为所述传感器的启动点，其中，首先，苯硼酸在碱性溶液中发生羟基化，OH进攻B原子，硼酸发生构型转变生成四面体结构的苯硼酸阴离子；其次，四面体的苯硼酸阴离子与糖类分子结合生成五元环酯，所生成的环状酯在酸性溶液中极易水解，反应恢复到苯硼酸化合物和糖类分子，所述传感器的整个传感过程的反应是相互可逆的。5.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的硬性角膜接触镜(4)，由PMMA制备而成，其基本参数为直径11.0，光度0.0，基弧7.3，该参数可根据具体情况而量身定做。6.按权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器，其特征在于，所述的聚苯乙烯微球(PS)，聚乙烯醇水凝胶(PVA)和4-羟基苯硼酸(4-BBA)，以硬性角膜接触镜为依托，所述的角膜接触镜对人角膜具有良好的生物相容性。7.权利要求1所述的光子晶体水凝胶泪糖传感器的制备方法，，其特征在于，其包括步骤：1)通过垂直沉降法将PS微球自组装在玻璃基片和角膜接触镜表面，将硬性角膜接触镜用去离子水超声清...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱韶红，阮佳莉，仇晨，
申请(专利权)人：复旦大学附属眼耳鼻喉科医院，
类型：发明
国别省市：上海,31