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生物医学电极和植入传感器外包装材料上

2021-08-18 来源:湘乡市机械信息网

生物医学电极和植入传感器外包装材料(上)

摘 要 主要介绍硅橡胶、聚尿烷和等离子体沉积的聚合物膜用作生物医学电极和植入传感器外包装材料的各自优势和特点,并阐述了这类生物医用设备的最新研究进展。

关键词 生物传感器 外包装材料 等离子体沉积

0 引 言

生物传感器是目前生物电子学研究与开发的主要课题之一,也是当今十分引人注目的一项生物技术。它的广泛引用,不仅在基础研究、临床医学、化工工业、食品发酵和环境保护等方面显示了美好的前景,而且在活体应用方面也已变成了可能。本文所提到的两种生物传感器——生物医学电极和植入传感器就是活体应用的较为典型的例子。作活体应用尤其是植入人体的生物医学设备对材料的可靠性、耐久度以及生物相容性等提出了更高的要求,一般的材料往往难以同时满足这些要求。供移植使用的生物传感器外面通常需要一层包装材料,用来隔开周围的生理环境,以提高电极工作的可靠性,延长其工作寿命,并改善电极设备的生物相容性等。本文列举的三种材料,即硅橡胶、聚尿烷(polyurethanes)和等离子体聚合物在上述几个方面各有优缺点,其中等离子体聚合物由于其固有的诸多性质,作为生物医学电极和植入传感器的外包装材料在各方面的表现尤为成功。

1 生物医学电极和植入传感器外包装材料的要求

生物医学电极长期以来被用作传导刺激信号以监控组织和器官(例如心脏、神经、骨、骨骼肌等)。这类电极的主要问题之一就是不能经常性地保持与周围环境的绝缘状态,从而导致测量错误和工作寿命减短。尤其是人体酸、碱、盐的生理环境严重影响电极的绝缘状况并加快其腐蚀。同样,另一类作智能传感用的植入集成电路需要适当耐用的、具有生物相容性的包装。这类集成设备已被用于心脏起搏器、酶电极、氧传感器、pH传感器和压力传感器,也有人建议用作膀胱收缩控制。这类新智能传感器的出现可以有效处理大量的信号,并且能减少漂移和对温度的依赖性。

供移植用电极设备的绝缘包装材料必须具有生物相容性(例如无毒、无过敏、不会产生血栓)和一定的机械强度,且能显示内聚和粘着性能,这有助于阻止有害离子渗透进入机体。防止离子泄漏与腐蚀防护具有同等意义,是传感器发送和处理刺激信号必不可少的。当传感器植入部位靠近关节或肌腱时,其机械强度尤为重要。

过去解决集成传感器电路相关包装问题的办法是将电路包裹在一种密封、硬质的胶囊状外壳里,使用的材料是陶瓷、钛、钽等。但是,这类硬壳包装往往体积较大,不适合传感器植入特定位置的要求,例如血管或其它有限的空间位置。并且生物相容性的问题也没有解决,因此在推广应用上遇到困难。

2 硅橡胶、聚尿烷和等离子体聚合物作包装材料的特点

有几种类型的聚合物已成功的用于绝缘电极,但没有一种适合大范围的应用,尤其是长寿命的需要。硅橡胶本身弹性很好,与水的亲和力较佳,因此在许多场合下使用,以替代渗水性差的聚合物。覆在电极外的硅橡胶层可以做得很薄,水和其它小分子物质可以自由通过。这种硅橡胶可以作为一种葡萄糖敏感电极的外包装,用来监控和调节糖尿病人血液中的葡萄糖水平,葡萄糖也是发酵工业中最重要的底物。这种设备是在pH或pO2电极上固定一层葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD),再覆上一薄层硅橡胶。这层硅橡胶允许小分子的葡萄糖及其代谢产物通过,而大分子的蛋白或多肽被阻挡在外,这使得电极的选择性大大提高,也可以避免杂质的干扰。pH电极可以检测反应产生的葡萄糖酸,O2电极检测酶所消耗的氧气。Updike和Hicks将葡萄糖氧化酶固定在氧敏感电极(pO2)末端的聚丙烯酰胺凝胶上,在外面包上一层硅橡胶薄膜,并给电极标定刻度线以显示葡萄糖浓度。反应式如下:

氧气的测量与酶反应的速率成比例,因此葡萄糖浓度,尤其与酶的米氏常数相比较小的时候,氧气分压可以持续监控,来确定葡萄糖的消耗量,从而确定其浓度。也可以通过测定起反应的产物如葡萄糖酸或H2O2来确定葡萄糖的浓度[1]。在监测胃酸分泌的过程中,H+离子也很容易渗透通过硅橡胶,从而加快电极的腐蚀,也会引起测量数据的错误,因此硅橡胶使用受到限制。

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