柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属于生物电化学检测技术领域，具体为柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法。本发明专利技术以柔性高分子纤维为基底制备得到晶体管源漏电极及沟道，以碳纳米管纤维为基底，修饰活性物质制备得到晶体管栅极；再通过加捻工艺将两者加捻，最终得到一体化纤维状有机电化学晶体管；该柔性可植入纤维状有机电化学晶体管能够实时原位放大检测信号，实现对于多种生物体内化学物质的微小浓度变化的稳定检测，具有高灵敏度、宽检测窗口、高稳定性等性能，可以通过微创手术植入深部组织，经组织学和动物实验证明，该纤维状有机电化学晶体管具有优异的生物相容性，为探索生物基本生理功能、揭秘生理机制、辅助疾病诊疗提供了新手段。

【技术实现步骤摘要】
柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法
本专利技术属于生物电化学检测
，具体涉及一种纤维状有机电化学晶体管及其制备方法。
技术介绍
生物体内化学物质的动态平衡对于维持生理活动和生理功能具有重要意义。化学物质浓度的异常波动与疾病之间具有密切联系，因此监控这些物质的浓度变化，可以帮助了解机体功能、辅助疾病治疗、预防疾病发生。但这些化学物质往往分布于深部组织之中，且浓度低、变化快，检测难度大。经典的微透析联用高效液相色谱法具有高灵敏度，但检测的时间分辨率在分钟量级，难以适应生物体内化学物质秒级乃至毫秒级的快速变化。目前报道的有机电化学晶体管大多为平面、块状或搭接的织物结构，实现了化学物质的体外或体表检测，但深部组织化学物质可植入长期稳定检测仍是一个亟待解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种灵敏度高、检测窗口宽、稳定性好的能够进行生物体内不同化学物质微小浓度变化动态检测的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管及其制备方法。本专利技术基于功能化碳纳米管纤维和柔性高分子纤维，通过层层物理、化学修饰工艺和一体化一维结构设计，制备出柔性可植入的纤维状有机电化学晶体管。其能够实时原位放大检测信号，实现生物体内不同化学物质微小浓度变化的稳定检测。通过微创手术植入体内，经组织学和动物实验证明，该纤维状有机电化学晶体管具有优异的生物相容性。本专利技术提供的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管的制备方法，具体步骤如下：（1）制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道；以直径为40-80μm柔性高分子纤维为基底，中段用宽度为1-6mm的胶带进行物理掩膜，然后沉积厚度为1-200nm导电金属层（作为源极和漏极）；中段掩膜区域负载厚度为20-400nm有机半导体层，遂转移到手套箱中进行退火处理，退火温度为80-180℃；最后，将沟道和远离沟道的源漏极部分再次物理掩膜，源漏电极靠近沟道部分绝缘，然后去除物理掩膜层，制备得到源漏电极及中间的沟道部分为一体的纤维；其中，与柔性高分子纤维共轴的金属层为源极和漏极；源、漏极由有机半导体层连通并由绝缘层保护；有机半导体层构成沟道；其中，所述胶带为聚酰亚胺胶带、聚乙烯胶带、聚氯乙烯胶带、美纹纸胶带、牛皮纸胶带中的一种；所述柔性高分子纤维为尼龙、聚酰亚胺、腈纶、芳纶、涤纶、锦纶中的一种；所述源极和漏极的金属层为金、铂、铬、钛中的一种或几种，制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、化学反应法中的一种；所述有机半导体为聚噻吩类、聚吡咯类和聚苯胺类中的一种，制备方法包括蘸涂法、滴涂法中的一种；所述绝缘层为聚对二甲苯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷中的一种，制备方法包括真空气相沉积法、热熔法、滴涂法、蘸涂法中的一种；（2）制备纤维状有机电化学晶体管栅极；以直径为30-100μm碳纳米管纤维为基本构筑单元，通过物理或化学方法修饰（负载）活性层，制备得到功能化碳纳米管复合纤维，作为纤维状有机电化学晶体管栅极；所述活性层厚度在10-1000nm，包括纳米粒子、选择性透过膜、生物活性反应层中的一种或几种；其中，纳米粒子包括铂纳米粒子、金纳米粒子中的一种或两种，制备方法包括电化学沉积法、化学法中的一种或两种；所述的选择性透过膜为Nafion膜、聚吡咯、聚间苯二胺、醋酸纤维素中的一种或者几种，制备方法包括滴涂法、蘸涂法和电化学沉积法中的一种或几种；生物活性反应层包括生物酶、生物活性蛋白、交联剂中的一种或几种，生物活性蛋白包括牛血清白蛋白、人血清白蛋白中的一种或者两种，生物活性反应层的制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、电化学沉积法、滴涂法、蘸涂法、化学交联法中的一种或几种；（3）将上述制备的纤维状源漏电极和纤维状栅极，通过加捻工艺制备得一体化纤维状有机电化学晶体管。本专利技术制备的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管为均匀的螺旋结构，直径为120-200µm，与人类头发丝相似，可以植入生物体内深部组织，用于对于不同化学物质的高灵敏度实时检测，以及深部组织内长期稳定检测。本专利技术制备的柔性可植入纤维状有机电化学晶体管，能够进行生物体内不同化学物质（检测水平：过氧化氢5-800nM，多巴胺5-500nM，谷氨酸0.1-20μM，葡萄糖0.1-200μM）微小浓度变化稳定检测（在循环2000圈25%的弯曲变形、0-10Hz的动态频率变化，以及37℃的磷酸盐缓冲液中体外保存7天，性能变化不超过20%，栅极端电化学阻抗性能基本保持稳定）；经组织学和动物实验证明，该纤维状有机电化学晶体管具有优异的生物相容性，为探索生物基本生理功能、揭秘生理机制、辅助疾病诊疗提供了新手段。附图说明图1为本专利技术纤维状有机电化学晶体管制备流程图示。图2为纤维状有机电化学晶体管检测机理示意图与形貌表征。其中，a是检测机理示意图（VG：栅极电压、IGS：栅极电流、VD：源漏极电压、IDS：源漏极电流、G：栅极、S：源极、D：漏极），b是扫描电子显微镜照片。图3为过氧化氢—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图，b是线性范围表征图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图）。图4为多巴胺—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图），b是抗干扰表征图（DA为多巴胺、AA为抗坏血酸、UA为尿酸）。图5为谷氨酸—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图），b是抗干扰表征图（Glu为谷氨酸、GABA为γ-氨基丁酸）。图6为葡萄糖—纤维状有机电化学晶体管检测性能图。其中，a是最低检出限展示图（插图为源漏极电流变化量—浓度线性图），b是抗干扰表征图（Glc为葡萄糖）。图7为多巴胺—纤维状有机电化学晶体管植入到小鼠深部脑区（海马）中，多巴胺在体检测第一天(a)和第七天(b)检测图。具体实施方式以下结合具体实施案例，示例性的说明及帮助进一步理解本专利技术，但实施案例具体细节仅是为了说明本专利技术，并不代表本专利技术构思下全部的技术方案，因此不应理解为对本专利技术总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本专利技术构思的非实质性增加和改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改换或替换，均属于本专利技术保护范围。制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道。以直径为50µm的尼龙丝为基底，中段用宽度为3mm的聚酰亚胺胶带物理掩膜后，利用热蒸镀方法分别蒸镀铬层（3nm）和金层（100nm）。在10mL聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）溶液中，加入2.5mL乙二醇提高分散性，并加入25µL十二烷基苯磺酸来增加导电性，1wt%丙基三甲氧基硅烷交联剂来提升稳定性，制备得到PEDOT:PSS混合溶液。将镀有金层的尼龙丝中段掩膜区域在上述PEDOT:PSS混合溶液中，以恒定速率蘸涂36次后，转移到充满氮气的手套箱中，在140℃的热台上退火1h。随后，浸泡在去离子水中以去除低分子量化合物。最后，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性可植入纤维状有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n（1）制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道；以直径为40-80μm柔性高分子纤维为基底，中段用宽度为1-6 mm的胶带进行物理掩膜，然后沉积厚度为1-200 nm导电金属层，作为源极和漏极；中段掩膜区域负载厚度为20-400 nm有机半导体层，遂转移到手套箱中进行退火处理，退火温度为80-180℃；最后，将沟道和远离沟道的源漏极部分再次物理掩膜，源漏电极靠近沟道部分绝缘，然后去除物理掩膜层，制备得到源漏电极及中间的沟道部分为一体的纤维；/n（2）制备纤维状有机电化学晶体管栅极；以直径为30-100 μm碳纳米管纤维为基本构筑单元，通过物理或化学方法修饰活性层，制备得到功能化碳纳米管复合纤维，作为纤维状有机电化学晶体管栅极；其中，所述活性层厚度在10-1000 nm，活性层包括纳米粒子、选择性透过膜、生物活性反应层中的一种或几种；/n（3）将上述制备的纤维状源漏电极和纤维状栅极，通过加捻工艺制备得柔性可植入一体化纤维状有机电化学晶体管。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性可植入纤维状有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）制备纤维状有机电化学晶体管源漏电极及沟道；以直径为40-80μm柔性高分子纤维为基底，中段用宽度为1-6mm的胶带进行物理掩膜，然后沉积厚度为1-200nm导电金属层，作为源极和漏极；中段掩膜区域负载厚度为20-400nm有机半导体层，遂转移到手套箱中进行退火处理，退火温度为80-180℃；最后，将沟道和远离沟道的源漏极部分再次物理掩膜，源漏电极靠近沟道部分绝缘，然后去除物理掩膜层，制备得到源漏电极及中间的沟道部分为一体的纤维；
（2）制备纤维状有机电化学晶体管栅极；以直径为30-100μm碳纳米管纤维为基本构筑单元，通过物理或化学方法修饰活性层，制备得到功能化碳纳米管复合纤维，作为纤维状有机电化学晶体管栅极；其中，所述活性层厚度在10-1000nm，活性层包括纳米粒子、选择性透过膜、生物活性反应层中的一种或几种；
（3）将上述制备的纤维状源漏电极和纤维状栅极，通过加捻工艺制备得柔性可植入一体化纤维状有机电化学晶体管。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述柔性高分子纤维为尼龙、聚酰亚胺、腈纶、芳纶、涤纶、锦纶中的一种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述源极和漏极的金属层为金、铂、铬、钛中的一种或几种，制备方法包括热蒸镀法、磁控...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，孙雪梅，吴晓颖，冯建友，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31