一种结构增强的生物活体传感材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种结构增强的生物活体传感材料，包括结构增强部分、生物传感部分；所述结构增强部分为静电纺丝3D打印技术制备的纳微米纤维支架，生物传感部分为负载有工程菌株的颗粒凝胶，利用水凝胶将颗粒凝胶固定到纳微米纤维支架中，通过水凝胶的聚合使其成为一个整体。本发明专利技术首先采用静电纺丝3D打印技术制备纳微米纤维支架，再将负载有工程菌株的颗粒凝胶和水凝胶预聚体填充至纳微米纤维支架中，在聚合的条件下制备而成；本发明专利技术中高强度的纳微米纤维支架使生物活体材料的机械结构特性增强；该材料具有传感速度快、可重复使用、折叠弯曲、生物相容性好等特点，在柔性穿戴、环境监测、显示等领域有广阔的应用前景；本发明专利技术制备方法简单、成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种结构增强的生物活体传感材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感和生物材料领域，具体涉及一种结构增强的生物活体传感材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]生物细胞传感指的是将活细胞作为敏感元件，检测生物试样或系统的化学成分、提供生产过程有关信息。具有高度选择性和敏感性，响应迅速的优点。但细胞活性往往会受到实际环境的影响，为了解决这一问题，通常对细胞进行固定化处理。固定化细胞具有明显的优势:降低环境中不利因素的抑制作用，减慢细胞在环境中的扩散速度，降低微生物对环境的影响风险，长期保持细胞活性。
[0003]细胞固定的方法有吸附固定法、交联固定法、截留固定法和包埋固定法等，其中利用水凝胶对细胞进行包埋的方法是应用较广泛的一种方法，指的是使用水凝胶将微生物限制在其空隙中而实现固定化。水凝胶载体包埋一方面可以防止菌体流失，另一方面又能让处理对象渗入和产物滲出。水凝胶是一类重要的生物材料，常被用作组织工程的生物载体、3D细胞培养等。利用水凝胶对细胞进行包埋，对细胞的活性影响小，细胞不涉及反应，操作简单，成本低，可重复利用、固定效果好。但传统的水凝胶机械性能差，但在柔性穿戴、皮肤贴片和环境监测等领域，往往需要材料有较高的机械强度，而增加水凝胶的机械强度，有很多方法，常用的有提高聚合物浓度，或者提高交联密度，或者在水凝胶内直接加入一些纳米粒子如羟基磷灰石、二氧化硅等，通常这些方法会降低包埋在水凝胶里细胞的生物活性，而且细胞还是会容易泄露出来。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术提供一种机械结构增强的生物活体传感材料；另外，本专利技术还提供一种结构增强的生物活体传感材料的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种结构增强的生物活体传感材料，包括结构增强部分、生物传感部分；所述结构增强部分为静电纺丝3D打印技术制备的纳微米纤维支架，生物传感部分为负载有工程菌株的颗粒凝胶；利用水凝胶将颗粒凝胶固定到纳微米纤维支架中，通过水凝胶的聚合使其成为一个整体。
[0006]本专利技术研究发现，将纳微米纤维支架、颗粒凝胶和水凝胶形成一个固定有工程菌株的整体，由于纳微米纤维支架的加入，使水凝胶的机械性能大大增加；颗粒凝胶能够有效防止菌的泄露，同时还可以负载不同的工程菌株，从而实现一个支架能同时对多种物质响应。
[0007]本专利技术所述的一种结构增强的生物活体传感材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)制备用于静电纺丝3D打印所需的溶液或熔融体，并进行静电纺丝3D打印，形成纳微米纤维支架；
[0009](2)制备颗粒凝胶所需的前体溶液和工程菌液，构建颗粒凝胶并对工程菌株进行
负载；
[0010](3)制备水凝胶前驱体溶液，将其与负载工程菌株的颗粒凝胶混合，并填充至纳微米纤维支架中，在聚合的条件下得到生物活体传感材料。
[0011]进一步地，步骤(1)中，所述溶液或熔融体为聚己内酯、聚乳酸、聚乳酸
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羟基乙酸共聚物、壳聚糖、丝素蛋白、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚苯乙烯中的一种或几种的材料混合物；或者为所述一种或几种的材料混合物与二氧化硅、羟基磷灰石纳米粒子混合。
[0012]进一步地，步骤(1)中，所述静电纺丝3D打印为将上述的溶液或熔融体在强电场中进行纺丝并3D打印，获得的微米或者纳米纤维逐层堆砌，形成可以填充颗粒凝胶和水凝胶材料的纳微米纤维支架。
[0013]进一步地，步骤(2)中，所述颗粒凝胶用于将工程菌株的固定化，可采用批量乳化法、微流控法、光刻法、电流体动力喷涂法或机械破碎法对工程菌株进行固定化；具体为：首先制备颗粒凝胶前体溶液，所述前体溶液为可对工程菌株进行包埋固定化的水凝胶前体溶液，然后采用上述方法将颗粒凝胶前体溶液固化成颗粒凝胶，或者大块水凝胶破裂成颗粒凝胶。
[0014]进一步地，步骤(2)中，所述制备颗粒凝胶所需的前体溶液为天然高分子溶液，明胶、海藻酸钠、透明质酸、纤维素及其衍生物中的一种或几种；或者为合成高分子溶液，丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯中的一种或几种；或者为所述天然高分子溶液与合成高分子溶液的混合溶液。
[0015]进一步地，步骤(2)中，所述构建颗粒凝胶并对工程菌株进行负载为球形、正方体形、长方体形等有规则或无规形状的水颗粒对一种或多种工程菌株进行固定化；固定化的工程菌株可作为细胞传感器对外界化学分子、生物分子、温度、湿度、压力等外界信号进行感应，并作出反馈行为，如表达荧光、物理变色等。
[0016]进一步地，步骤(3)中，所述水凝胶前驱体溶液为可固化形成生物相容性水凝胶块体的溶液为天然高分子溶液，明胶、海藻酸钠、透明质酸、纤维素及其衍生物中的一种或几种；或者为合成高分子溶液，丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯中的一种或几种；或者为所述天然高分子溶液与合成高分子溶液的混合溶液；前驱体溶液与负载工程菌株的颗粒凝胶混合后，填充在纳微米纤维支架中并聚合形成一个整体材料。
[0017]进一步地，上述固化形成生物相容性水凝胶块体的固定方法包括化学交联，自由基聚合、点击化学交联、席夫碱形成或二硫化物形成的方法；或者物理交联客体
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主体相互作用、氢键、金属
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配体配位或离子交联的方法；或者为化学物理双交联。
[0018]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下效果：(1)本专利技术的生物活体传感材料内加入纳微米纤维支架，使其具备优异的力学性能；颗粒凝胶可以负载不同的工程菌株，使得生物活体传感材料可以对多种物质进行响应，同时还可有效的防止菌泄露；本专利技术中所用的原材料为生物相容性好、可生物降解的物质；另外，生物活体传感材料具有传感速度快、可重复使用、可折叠弯曲等特点；(2)本专利技术制备方法简单、成本低、绿色环保。
附图说明
[0019]图1为实施例1中纳微米纤维支架SEM图；
[0020]图2为实施例1中纳微米纤维支架；
[0021]图3为实施例1中负载大肠杆菌颗粒凝胶微球示意图；
[0022]图4为实施例1中结构增强的生物活体材料；
[0023]图5为实施例1中结构增强的生物活体材料0H(左)和12H(右)传感图；
[0024]图6为实施例1中结构增强的生物活体材料传感时不同时刻荧光强度；
[0025]图7为实施例1中纳微米纤维增强支架与纯水凝胶支架压缩应力应变对比图。
具体实施方式
[0026]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述。
[0027]实施例1
[0028](1)静电纺丝3D打印聚合物纳微米纤维支架
[0029]称取950mg PCL颗粒，和50mg PLGA粉末，将其震荡混合，装入3D打印针桶中，打开电脑，设置参数，针筒加热温度75℃，针头加热温度95℃，调整针头与平台之间的距离为2.5mm，设置电压为4.5kv，气压为13kpa，设置支架长为20mm，宽为20mm，网
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格间距为0.8*0.8mm，层数为100层，打印本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构增强的生物活体传感材料，其特征在于：包括结构增强部分、生物传感部分；所述结构增强部分为静电纺丝3D打印技术制备的纳微米纤维支架，生物传感部分为负载有工程菌株的颗粒凝胶；利用水凝胶将颗粒凝胶固定于纳微米纤维支架中，通过水凝胶的聚合使其成为一个整体。2.如权利要求1所述的结构增强的生物活体传感材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)制备用于静电纺丝3D打印所需的溶液或熔融体，并进行静电纺丝3D打印，形成纳微米纤维支架；(2)制备颗粒凝胶所需的前体溶液和工程菌液，构建颗粒凝胶并对工程菌株进行负载；(3)制备水凝胶前驱体溶液，将其与负载工程菌株的颗粒凝胶混合，并填充至纳微米纤维支架中，在聚合的条件下得到生物活体传感材料。3.根据权利要求2所述的结构增强的生物活体传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述溶液或熔融体为聚己内酯、聚乳酸、聚乳酸
‑
羟基乙酸共聚物、壳聚糖、丝素蛋白、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚苯乙烯高分子材料中的一种或几种的材料混合物；或者为所述一种或几种的材料与二氧化硅、羟基磷灰石纳米粒子的混合物。4.根据权利要求2所述的结构增强的生物活体传感材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述静电纺丝3D打印为将所需的溶液或熔融体在强电场中进行纺丝并3D打印，将获得的微米或者纳米纤维逐层堆砌...

【专利技术属性】
技术研发人员：余子夷，张洋，张静，王渝捷，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：