由含有雜環氮的聚合物組成的生物傳感器膜的製作方法

2023-09-21 07:53:10

專利名稱：由含有雜環氮的聚合物組成的生物傳感器膜的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及分析物-遷移(flux)-限制膜。更具體地講，本發明涉及由含雜環氮聚合物組成的膜。所述的膜是在生物傳感器中的一個有用組件，特別是用於可以植入活體的生物傳感器中。
背景技術：
基於酶的生物傳感器是這樣的設備，其中基於分析物濃度的生物化學反應信號被轉化為一個可測量的物理信號，如光信號或電信號。這類生物傳感器在臨床、環境、農業和生物工藝學應用中被廣泛用於分析物的檢測。在人體體液的臨床分析中可測量的分析物包括例如葡萄糖、乳酸鹽、膽甾醇、膽紅素和胺基酸。檢測在生物液體——如血液——中的分析物對於許多疾病的診斷和監測是很重要的。
人們非常感興趣的是通過電信號測定分析物的生物傳感器，諸如藉助於電流(電流生物傳感器)或電荷(電量生物傳感器)的生物傳感器，因為在許多重要的生物分析物的生物化學反應中涉及到了電子轉移。例如，葡萄糖與葡萄糖氧化酶的反應涉及從葡萄糖到所述酶的電子轉移，生成葡糖酸內酯和還原的酶。在電流葡萄糖生物傳感器的一個實例中，葡萄糖在體液中通過葡萄糖氧化酶-催化反應被氧氣氧化，形成葡糖酸內酯和過氧化氫，於是過氧化氫被電氧化，並且與體液內葡萄糖的濃度相關聯(Thomé-Duret，V.等，Anal.Chem.，68，3822(1996)；和Van Antwerp.的US5882494)。在另一個電流葡萄糖生物傳感器的實例中，葡萄糖到葡糖酸內酯的電解氧化由聚合的氧化還原介體調節，該介體在電子上將所述酶的反應中心連接到電極上。參見Csregi，E.等，Anal.Chem.，66，3131(1994)；Csregi，E.等，Anal.Chem.，67，1240(1995)；Schmidtke，D.W.等，Anal.Chem.，68，2845(1996)；Schmidtke，D.W.等，Anal.Chem.，70，2149(1998)；和Schmidtke，D.W.等，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，95，294(1998)。
電流生物傳感器通常使用兩個或三個電極，包括至少一個測量或工作電極和一個參考電極。在雙電極系統中，參考電極也用作對電極(counter-electrode)。在三電極系統中，第三電極是一個對電極。所述測量或工作電極由抗蝕的碳或金屬導體組成，通過一個迴路——諸如一個恆電位器——連接到參考電極。
一些生物傳感器被設計成植入活動物體內的形式，僅作為例子，諸如植入哺乳動物或人體內。在可植入電流生物傳感器中，工作電極通常由傳感層構成，其與電極的導電材料直接接觸，在傳感層的頂部有一個擴散-限制膜層。所述傳感層通常由酶、酶穩定劑——如牛血清白蛋白(BSA)——和交聯傳感層成分的交聯劑組成。或者，所述傳感層由酶、聚合的介體和交聯傳感層成分的交聯劑組成，如在上述的導線-酶(wired-enzyme)」生物傳感器中。
在可植入電流葡萄糖傳感器中，為了調節或限制葡萄糖向傳感層遷移，膜通常是有利的或必要的。作為說明，在無膜葡萄糖傳感器中，葡萄糖向傳感層的遷移隨著葡萄糖的濃度線性增加。當達到在傳感層的所有葡萄糖耗盡時，測量的輸出信號與葡萄糖的遷移成線性正比，因此與葡萄糖濃度成線性正比。但是，當在所述傳感層葡萄糖的消耗被化學動力學或電化學活性所限制時，測量的輸出信號不再由葡萄糖的遷移控制，從而不再與葡萄糖的遷移或濃度成線性正比。在這種情況下，在傳感器變得飽和前，到達傳感層的葡萄糖只有一小部分被消耗，於是測量信號停止隨著葡萄糖的濃度增強，或只有稍微的增加。另一方面，在裝備有擴散-限制膜的葡萄糖傳感器中，所述膜降低了葡萄糖向傳感層的遷移，從而傳感器沒有變得飽和，因此可在更寬的葡萄糖濃度範圍內有效地操作。
更具體地講，在這些裝備了膜的葡萄糖傳感器中，葡萄糖消耗率是由通過所述膜的葡萄糖的擴散或遷移控制，而不是由傳感層的動力學控制。葡萄糖通過所述膜的遷移由膜對葡萄糖的滲透性——通常是恆定值——和被監測溶液或生物液體中的葡萄糖濃度確定。當所有到達傳感層的葡萄糖耗盡時，葡萄糖通過所述膜向傳感層的遷移隨著葡萄糖在溶液中的濃度線性變化，並決定了測量的轉換速率或信號輸出，從而其也與溶液中葡萄糖的濃度成線正比。雖然不是必要的，但是在輸出信號和溶液中葡萄糖濃度之間的線性關係對於可植入傳感器的校準是理想的。
如上所述，基於過氧化氫電解氧化的可植入電流葡萄糖傳感器需要過量的氧反應物，以保證傳感器輸出只受到被監測的體液或組織中葡萄糖濃度的控制。即，傳感器被設計成不受通常存在於體液或組織中的氧氣的影響。在通常植入葡萄糖傳感器的體組織中，氧氣的濃度可能非常低，諸如從約0.02mM到約0.2mM，而葡萄糖的濃度可高達約30mM或以上。在沒有葡萄糖擴散-限制膜的情況下，傳感器將在非常低的葡萄糖濃度非常迅速地變得飽和。因此，所述傳感器得益於具有足夠氧氣-可透性的膜，所述的膜限制了葡萄糖遷移到傳感層，因此減少或消除了所謂的「缺氧問題」，即，發生氧氣不足不能充分感應的情況。
在那些如上所述使用導線-酶電極的可植入電流葡萄糖傳感器中，沒有缺氧的問題，因為氧氣不是必要的反應物。仍然，這些傳感器需要葡萄糖-擴散-限制膜，因為通常對於沒有這種膜的葡萄糖傳感器，在大約或低於10mM的葡萄糖濃度，輸出電流達到最高程度，這個濃度遠遠低於臨床上相應葡萄糖濃度的最高值30mM。
在使用導線-酶電極的生物傳感器中，擴散-限制膜也是有利的，因為所述膜顯著降低了在傳感層中化學和生物化學的反應性，並因此降低了可能破壞酶的游離基的生成。擴散-限制膜還可同時作為機械保護層，阻止傳感器成分從傳感器層洗出並降低與移動相關的隨機幹擾。
人們已經進行了各種嘗試開發一種機械強度高、生物相容性並且容易製備的葡萄糖擴散-限制膜。例如，已經公開了一種帶有機械性孔的層壓微孔膜(Young等的US4759828)，還已知由聚氨酯形成的膜(Shaw，G.W.等，Biosensors and Bioelectronics，6，401(1991)；Bindra，D.S.等，Anal.Chem.，63，1692(1991)；Shichiri，M.等，Horm.Metab.Res.，Suppl.Ser.，20，17(1988))。按照推測，在這些各式各樣的膜中葡萄糖通過機械性孔或裂縫擴散。此外，例如已經描述了一種異質膜，具有不連續的疏水性和親水性區域(Gough的US4484987)，以及具有疏水性和親水性官能度兩者的同質膜(Allen等人的US5284140和US5322063)。但是，所有這些已知的膜難以製備，並且物理性能不足。
在US5777060(Van Antwerp)、US5786439(Van Antwerp等)和US5882494(Van Antwerp)中已經描述了一種改進的膜，由二異氰酸酯、二醇、二胺和矽氧烷聚合物的多元混合物形成。如其中所述，這種膜材料在燒瓶中同時聚合併交聯；得到的聚合物材料溶於強有機溶劑，如四氫呋喃(THF)；然後將得到的溶液施用到傳感層上形成所述的膜。令人遺憾地，非常強的有機溶劑，如THF，可能使傳感層中的酶變性，並且還會從溶解導電的墨水材料和任何可能是傳感器的一部分的塑料材料。此外，由於在反應燒瓶中完成聚合和交聯反應，當將溶液用於傳感層形成所述膜時，沒有發生進一步的產生結合的反應。因此，在膜層和傳感層之間的粘附力可能不足。
在公開的國際公開號為WO 01/57241 A2的2005年7月13日 申請日期2002年5月15日 優先權日2001年5月15日
發明者毛飛, 趙炫 申請人:特拉森斯公司