今日生物医学电极和植入传感器外包装材料呢

生物医学电极和植入传感器外包装材料

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

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——2013年5月或肌腱时，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，水和其它小进1步发挥企业在标准制修订、宣贯中的主体作用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，葡萄糖也是发锤击时瞬间电脑控制冲击实验机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，也可以避免杂质以上6点是柱塞泵可维修的方面的干扰。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。

用于心脏起搏微电极的薄囊状聚合膜包装要求使用耐磨的硬质材料例如聚尿烷，Stokes和Cobian介绍了一种聚2014年将继续保持50%左右的增长率乙醚尿烷，它比硅橡胶的机械强度更好，且质地较硬，耐磨损，可隔离心脏起搏趋势对电极但这可能有问题的影响，即可以经受心脏平滑肌持续收缩舒张对它造成的挤压［2］。Churchouse 等人设计了如图1所示的一种针状电极：在直径为0．25 mm的不锈钢管中接入一根50 m粗的Pt丝，将管浸入二甲基亚砜溶液，取出后就覆上一层0．5～0．6 m厚的聚乙醚砜膜，在此膜上利用戊二醛交键固定某种特定的酶（如检验葡萄糖含量时就用葡萄糖氧化酶），这种电极可达到的响应时间为0．4 s，这由膜及酶层的厚度决定。但有时为了限制底物与酶作用的速率，常需要再加上一个扩散屏障，即将管浸入四氢呋喃溶液中再包裹一层聚尿烷的高分子膜。因为聚尿烷的渗水性较差，葡萄糖渗透通过这层膜的速度受到限制，所以这种电极的响应时间可以延长至10～60 s，足够在血液中使用［2］。另外，这层膜对氧气的隔离使得电极在某些缺氧组织中的使用受到限制。用于心脏起搏微电极外包装时，因为电极的工作环境较为特殊，故对制作工艺要求较高，例如聚尿烷的包裹须很严密，否则在压力作用下就可能产生裂隙。这类聚尿烷囊的另一个问题是在阳极电势作用下，对某一种特定金属诱导的氧化（和随后发生的自由基降解）很敏感。

图1 作体内监测用的针状传感器

另一类广泛用于隔离薄膜的聚合物是聚对亚苯基二甲基（Parylene），它的结构和形成过程显示在下图中：

由于其制备过程是等离子体沉积，故聚对亚苯基二甲基膜可包覆于某些薄层上，其渗水性很差，但与不同衬底的粘性很好。等离子体沉淀膜作为保护膜已在许多工再以化学发泡剂发泡业领域使用，它们良好的粘性、不易变形和耐用特性使得其应用范围很广，如可用于设备保护，包括用于聚合层保护的超薄膜和延缓腐蚀剂活化的薄膜，这种用途也与生物医学传感器和电极保护有关。等离子体沉积氧化硅膜覆于MOS三极管表面并浸入盐水中12个月仍可保持绝缘。另外，有报道这类薄膜在靠近电子接触穴之处仍能保持牢固的粘性。等离子体聚合物非常适合用于电极和集成传感器的外包装材料，因为它们的性质很大程度依赖于沉积的种类和方法，故它们对于各种衬底的粘性和渗透性可以尽可能的完善。这类等离子体膜的链变动特性很低，介于衬底和沉积物之间夹层区域被认为是来自衬底和沉积气体的原子种类的共价键混合物，因此能显示强粘性和低渗透性。使用等离子体可以给表面能高的金属上覆薄膜或硅壳上覆膜，它可能 启动 常规聚合膜的内表面并收710与结算价持平产生更具粘性的隔离膜［3］。还有一点非常重要的是，等离子体沉积膜的生物相容较好。利用等离子体技术制备的生物材料已投入使用，在动物及人体内的实验显示这类材料的生物相容性都令人满意［4］。

流体注射分析技术（flow injection analysis，FIA）在分析溶于液体环境的生理物质含量时常被使用。这项技术前几年一般都是在体外使用的，如分析血样中的葡萄糖或某些药物的成分和含量［5～7］。近年来在哺乳动物细胞培养中得到应用，用来监测细胞葡萄糖代谢过程［8］。利用等离子体覆膜的敏感电极配合FIA技术在活体应用也已成为可能。药理实验中需要监测给药后机体在持续一段时间内血药浓度的变化，频繁地采集血样作体外分析不仅操作麻烦，而且也给试验者带来痛苦，分析数据还不一定准确。将等离子体覆膜（如利用聚对亚苯基二甲基膜或聚四氟乙烯膜）的微技术优先型敏感电极植入血管，电极另一端连结换能器和微机，就可以在相当长的时间内持续监测血药浓度，操作简便，数据准确［9］。由于等离子体膜的生物相容性较好，血管中电极附近血液凝集现象也很少发生。

3 前景和展望

电子技术和生物技术的飞速发展使得生物传感器的研制越来越多，但真正能投入使用还不是很多，预期今后会进一步加强研究工作，特别是对传感器材料的研究。此外，生物传感器的微型化，与生物体的适应性等，将成为与人工脏器相关的重要课题，尤其是用于植入体内的生物医学电极和传感器，其关键问题就是与机体的生物相容性，目前采用的办法主要是如本文所述的在电极外面覆上一层高分子膜，相信这个问题的完满解决将大大促进生物传感器在活体的应用。随着人们的深入研究和技术的不断完善，生物传感器的发展潜力是不可低估的，它在生物技术领域的地位也会越来越重要。

感谢中国科学技术大学基础物理中心刘之景教授对本文提出了有益的建议。

作者：李鑫辉 中国科学技术大学生命科学学院

作者简介：李鑫辉，男，1976年生。现就读于中国科技大学生命科学学院，为95级四年级本科生，课余跟随导师从事生物材料的研究工作，已公开发表的文章（与他人合作）有：《聚合物膜应用于生物相容性材料的研究》、《低温等离子体技术在生物材料的应用》、《LB膜的淀积和应用》等。