一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法及其应用

1.本发明属于生物医学领域，具体涉及一种用于可视化血糖监测的光子晶体水凝胶的制备方法及其应用。


背景技术：

2.糖尿病是一种严重威胁人类健康安全的全球性慢性疾病，以高血糖水平为主要特征和诊断标准。糖尿病的病因主要是由于体内胰岛素分泌受损或胰岛素的生物功能受损，导致体内的血糖水平不能得到调节从而体现出较高的血糖水平。目前，全球已有超过5.37亿人被诊断患有一型或二型糖尿病，并且这个数字还在不断上升。对于糖尿病患者来说，对于血糖水平的监测是一项非常重要的工作，对病情的即时干预以及对并发症的预防都有很重要的意义。目前市面上的血糖监测手段主要是指尖采血的血糖检测仪。但是这种方式需要频繁的采集指尖血液，这不仅会导致大量的试纸消耗，加大患者的经济负担；这样侵入性较强的采血方式也会给患者带来极大的痛苦，会降低患者的依存性并存在感染的风险。因此，开发一种低成本、操作简单且无创微痛的葡萄糖检测方式具有很大的临床实用意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法及其应用。本发明的光子晶体水凝胶能够可视化的、可逆的、可重复使用的检测体液中的葡萄糖水平。
4.本发明的目的通过下述技术方案实现：
5.一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
6.(1)利用辅助水平沉积法，将二氧化硅微球沉积在小块玻片上，制备得到的光子晶体，并将其固定在两片较大的载玻片之间。
7.(2)将葡萄糖响应性水凝胶溶液注入到光子晶体的缝隙中，加热固化。所述的葡萄糖响应性水凝胶溶液为添加了葡萄糖响应性分子4-(2-丙烯酰胺乙基氨基甲酰基)-3-氟苯基硼酸(afpba)的p(aa-am)水凝胶溶液。所述的加热的温度为50-70摄氏度，优选60摄氏度。
8.(3)剥离载玻片，将取下的含有光子晶体和水凝胶的玻片一起浸泡在氢氟酸溶液中，使水凝胶和玻片分离，同时使水凝胶中的二氧化硅微球被刻蚀，得到具有周期性空隙的反蛋白石结构的光子晶体水凝胶，即所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶，其具有鲜明的结构色。
9.所述的制备方法中，可以通过调控二氧化硅微球的粒径来调控光子晶体水凝胶的结构色，加大二氧化硅微球的粒径，得到的光子晶体水凝胶的颜色会发生红移。
10.所述的辅助水平沉积法具体包括如下步骤：用pdms单体与交联剂制备pdms围栏，将其用o2等离子体处理得到pdms亲水性围栏。将pdms亲水性围栏和洁净的玻璃片贴合在一起，往围栏中加入sio2微球的水分散液，水分蒸发后得到光子晶体。其中，水分蒸发优选在
35-40摄氏度(优选37摄氏度)进行。
11.所述的p(aa-am)水凝胶溶液以水为溶剂，包含单体丙烯酸(aa)和丙烯酰胺(am)、交联剂n-n’亚甲基双丙烯酰胺(mbaa)、热引发剂过二硫酸钾(k2so4)，该水凝胶体系具有良好的生物相容性。
12.所述的添加了葡萄糖响应性分子4-(2-丙烯酰胺乙基氨基甲酰基)-3-氟苯基硼酸(afpba)的p(aa-am)水凝胶溶液优选包含如下含量的组分：10％-25％(v/v)丙烯酸单体，10％-25％(w/v)丙烯酰胺单体，1
‰‑5‰
(w/v)过二硫酸钾，1
‰‑5‰
(w/v)n-n’亚甲基双丙烯酰胺，5％-20％(w/v)afpba，溶剂为水。更为优选地，其包含如下含量的组分：20％(v/v)丙烯酸单体，10％(w/v)丙烯酰胺单体，5
‰
(w/v)过二硫酸钾，3
‰
(w/v)n-n’亚甲基双丙烯酰胺，10％(w/v)afpba，溶剂为水。
13.所述的氢氟酸溶液的浓度为10％-49％(wt.)，优选为49％(wt.)。
14.一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶，通过上述制备方法得到。
15.本发明的光子晶体水凝胶实现可视化的功能是通过结合光子晶体的原理和结构实现的。光子晶体的周期性结构会使得特定波长的电磁波不能在其中传播从而被反射，从而使光子晶体具有特殊的结构色。当光子晶体的周期性结构发生变化时，不能通过光子晶体传播的电磁波波长也相应的发生变化，使得其结构色改变。基于这样的原理，当具有光子晶体结构的水凝胶的体积发生溶胀时，水凝胶的颜色会相应的发生变化，由此可以实现葡萄糖的可视化响应。
16.本发明在水凝胶体系中加入的葡萄糖响应性分子是afpba，afpba使水凝胶体系具有葡萄糖响应性的机理是：当afpba溶解在水中时，苯环上的硼酸集团部分电离从而带负电，从而与葡萄糖分子结构中的二羟基结构结合，因此葡萄糖浓度升高时，使电离平衡朝着电离的方向进行，更多的疏水不带电的pba电离成亲水的带负电的pba，从而使整个水凝胶网络发生溶胀，其颜色随之发生红移，体现出对葡萄糖良好的响应性；反之，当葡萄糖浓度降低时，afpba的水解反应逆向进行，从而使整个水凝胶溶液收缩，其颜色发生蓝移，达到葡萄糖水平可视化读出的目的。
17.所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶在血糖检测或制备血糖检测产品中的应用。
18.一种血糖检测产品，包含所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶。
19.所述的血糖检测为血糖水平的可视化检测。
20.本发明的优点和有益效果：本发明利用光子晶体的结构色和颜色变化的原理制备了具有鲜明结构色的光子晶体水凝胶，通过对二氧化硅粒径的调整实现对光子晶体水凝胶结构色的调控，利用葡萄糖响应性分子的电离平衡实现葡萄糖水平的可视化检测，同时该水凝胶具有良好的可逆性和生物相容性。
附图说明
21.图1是本发明的光子晶体水凝胶的二维示意图。
22.图2是使用不同粒径的sio2微球制备得到的光子晶体的形貌图，从左至右的红色、绿色、蓝色光子晶体，使用的sio2微球的粒径分别为300nm、270nm、240nm。
23.图3是色相值示意图。
24.图4是蓝色光子晶体水凝胶在葡萄糖溶液中的可逆响应性变化，(a)蓝色光子晶体水凝胶的颜色，(b)蓝色光子晶体水凝胶的色相值。
25.图5是绿色光子晶体水凝胶在葡萄糖溶液中的可逆响应性变化，(a)绿色光子晶体水凝胶的颜色，(b)绿色光子晶体水凝胶的色相值。
26.图6是蓝色光子晶体水凝胶在葡萄糖溶液中循环浸泡的色相值变化。
27.图7是蓝色光子晶体水凝胶的体内葡萄糖响应性测试，(a)小鼠伤口模型，(b)不同血糖的小鼠伤口对应的水凝胶的颜色变化，(c)不同血糖的小鼠伤口对应的水凝胶的色相值变化。
具体实施方式
28.以下实施例用于进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
29.实施例1光子晶体水凝胶的制备与性能测试
30.1、光子晶体的制备
31.使用氨水、去离子水、乙醇、正硅酸四乙酯制备得到sio2微球分散液，将sio2微球提纯、冷冻干燥，得到不同粒径(220-320nm)的sio2微球固体粉末。将pdms预聚物和固化剂以质量比10:1混合，交联制备得到不同形状的pdms围栏，其深度为2mm。将pdms围栏用o2等离子体处理，增加其亲水性。将上述pdms亲水性围栏和洁净的玻璃片贴合在一起，置于35-40摄氏度(优选37摄氏度)的水平加热台上，并加入sio2微球的水分散液。随着加热时水分的蒸发，sio2微球在pdms围栏中央逐渐堆积成光子晶体的密排结构，该过程快速，仅需3-4个小时即可完成。
32.通过调控sio2微球的粒径大小，可以得到具有不同颜色的光子晶体(图2)，其对应的结构色可以用对应的色相值来表征。色相即色彩相貌，是色彩三要素之一，也是色彩的首要特征，是区别各种不同色彩的最准确的标准。色相值可以用色轮(图3)上从0到360的度数来表示，例如0
°
是红色、120
°
是绿色、240
°
是蓝色。如果颜色持续逆时针变化、并超过0
°
时，色相值可以用负数来表示，例如300
°
和-60
°
的色相值均对应同一个颜色；反之亦然，如果颜色持续顺时针变化、并超过0
°
时，可以用加360
°
的色相值来表示，例如60
°
和420
°
的色相值均对应同一个颜色。
33.2、光子晶体水凝胶的制备
34.分别称量20％(v/v)丙烯酸单体、10％(w/v)丙烯酰胺单体、5
‰
(w/v)过二硫酸钾、3
‰
(w/v)n-n’亚甲基双丙烯酰胺、10％(w/v)afpba加到水中，充分振荡溶解，得到水凝胶溶液。
35.将含有光子晶体的玻片固定在两块较大的载玻片中间。将水凝胶溶液注入到上述两片载玻片间的光子晶体的间隙中，水凝胶在毛细作用下填充到光子晶体的间隙中，在60摄氏度下恒温加热一小时。固化后，剥离载玻片，将含有水凝胶和光子晶体的玻片一起取下，浸泡在49％(wt.)氢氟酸溶液中24小时，水凝胶和玻片分离，同时水凝胶中的二氧化硅微球被刻蚀，之后取出水凝胶，并用纯水清洗，最终获得具有鲜明结构色的光子晶体水凝胶样品。
36.3、光子晶体水凝胶的体外葡萄糖响应性及可逆响应性测试
37.将光子晶体水凝胶逐一浸泡在浓度分别为0mm、6.6mm、13.2mm、19.8mm、26.4mm的葡萄糖溶液中，浸泡半小时后取出，观察并记录光子晶体水凝胶的颜色变化。
38.为验证光子晶体水凝胶对葡萄糖响应的可逆性，将水凝胶再逐一浸泡在从高到低浓度的葡萄糖溶液中，浸泡半小时后将水凝胶取出，观察并记录光子晶体水凝胶的颜色变化。
39.(1)使用粒径240nm的二氧化硅微球制备了蓝色结构色的光子晶体，并使用蓝色结构色的光子晶体水凝胶进行测试，水凝胶样品对不同浓度的葡萄糖溶液的可逆响应性结果如图4所示。
40.由图4可以看到，蓝色的水凝胶浸泡在由低到高浓度的葡萄糖溶液中足够的时间后，表现出颜色的红移现象(图4a)。这是因为afpba与葡萄糖相互作用，使得整个水凝胶体积溶胀，导致光子晶体的内部周期结构改变，根据布拉格衍射的公式得到，反射峰的位置红移。使用photoshop软件对得到的图片结果进行像素点的采集并分析其色相变化，得到的结果如图4b所示。蓝色的光子晶体水凝胶表面的宏观结构色的色相值从0mm葡萄糖溶液时对应的223
°
逐渐变化为26.4mm葡萄糖溶液时对应的92
°
，结合色相值示意图(图3)，这说明颜色发生了红移，色相值变化幅度为131
°
，从而证明了光子晶体水凝胶的葡萄糖可视化检测能力。
41.将以上光子晶体水凝胶从高浓度的葡萄糖溶液浸泡回低浓度的葡萄糖溶液直至浸泡在纯水中，光子晶体水凝胶的宏观颜色从绿色转变回蓝色(图4a)，颜色发生蓝移，其色相值、数据与由低到高浓度葡萄糖溶液浸泡时得到的数据可逆吻合(图4b)，这验证了该水凝胶对葡萄糖具有良好的可逆响应性。
42.(2)类似的，使用粒径270nm的二氧化硅微球制备了绿色结构色的光子晶体，并采用绿色结构色的光子晶体水凝胶进行实验，水凝胶样品对不同浓度的葡萄糖溶液的可逆响应性结果如图5所示。
43.由图5可以看到，绿色结构色的光子晶体水凝胶浸泡在由低到高浓度的葡萄糖溶液中足够的时间后，也出现了颜色的红移现象(图5a)。其反应原理与上述蓝色光子晶体水凝胶类似。进一步的，对得到的图片结果进行色相值分析，结果如图5b所示。绿色的光子晶体水凝胶表面的宏观结构色的色相值从0mm葡萄糖溶液时对应的175
°
逐渐变化为26.4mm葡萄糖溶液时对应的-71
°
(图5b)，颜色发生了红移，色相值变化幅度为246
°
，进一步证明了光子晶体水凝胶的葡萄糖可视化检测能力。
44.进一步的，将以上光子晶体水凝胶从高浓度的葡萄糖溶液浸泡回低浓度的葡萄糖溶液直至浸泡在纯水中，光子晶体水凝胶的宏观颜色从红色转变回绿色(图5a)，颜色发生蓝移，其色相值的数据与由低到高浓度葡萄糖浸泡时得到的数据可逆吻合(图5b)，进一步验证了该水凝胶对葡萄糖具有良好的可逆响应性。
45.上述实验中，在从低到高浓度的葡萄糖溶液中反应时，绿色光子晶体水凝胶的色相值变化范围为246度，比蓝色光子晶体水凝胶的色相值变化范围131度更大，更有利于可视化读出与测试。
46.4、光子晶体水凝胶的可逆响应的重复性测试
47.以蓝色结构色的光子晶体水凝胶为例，将其在浓度分别为0mm、6.6mm、13.2mm、19.8mm、26.4mm的葡萄糖溶液中反复浸泡，以验证其葡萄糖响应性的重复性和稳定性，在过
程中对光子晶体水凝胶的色相值进行记录，结果如图6所示。在每次循环浸泡过程中，该光子晶体水凝胶表面的宏观结构色从223
°
逐渐降低至92
°
，然后升至223
°
；并且在8次循环反应后，色相值变化基本稳定。以上结果表明该水凝胶的可逆响应具有稳定性，该水凝胶可以重复使用，以实时监测葡萄糖的浓度变化。
48.实施例2光子晶体水凝胶的体内葡萄糖响应性测试
49.采用c57小黑鼠，利用链脲佐菌素构建糖尿病小鼠的模型，诱导出不同体内血糖水平(体内血糖水平分别为6mm、16mm、22mm)的小鼠。对小鼠后背进行脱毛处理，用打孔器在小鼠背部打孔，获得直径为五毫米的伤口。
50.使用粒径240nm的二氧化硅微球制备了蓝色结构色的光子晶体和光子晶体水凝胶。将蓝色结构色的光子晶体水凝胶具有结构色的一面覆盖在伤口表面上，并用透明敷贴固定。半小时后取下，观察并记录光子晶体水凝胶的颜色变化。
51.小鼠的伤口模型试验如图7a所示。使用蓝色光子晶体水凝胶进行试验得到的结果如图7b所示。可以观察到蓝色光子晶体的颜色发生了明显的红移，这验证了光子晶体水凝胶在生物体上的响应性效果。在血糖值为6mm的小鼠伤口上，光子晶体水凝胶的色相值为191
°
，当小鼠体内血糖升高至22mm时，光子晶体水凝胶的色相值逐渐降低为172
°
(图7c)，色相值变化幅度为19
°
，验证了光子晶体水凝胶在生物体上的响应性效果。
52.需要指出的是，小动物皮肤表面的渗出液较少，因此参与反应的液体不如葡萄糖水溶液中那么充分，因此，体内实验中血糖检测的效果没有在葡萄糖溶液中的检测效果明显。
53.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)利用辅助水平沉积法，将二氧化硅微球沉积在玻片上，制备得到的光子晶体，并将其固定在两片载玻片之间；(2)将葡萄糖响应性水凝胶溶液注入光子晶体的缝隙中，加热固化；所述的葡萄糖响应性水凝胶溶液为添加了葡萄糖响应性分子4-(2-丙烯酰胺乙基氨基甲酰基)-3-氟苯基硼酸的p(aa-am)水凝胶溶液；(3)剥离载玻片，将取下的光子晶体和水凝胶浸泡在氢氟酸溶液中使二氧化硅微球被刻蚀，得到光子晶体水凝胶。2.根据权利要求1所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的辅助水平沉积法包括如下步骤：用pdms单体与交联剂制备pdms围栏，将其用o2等离子体处理得到pdms亲水性围栏；将pdms亲水性围栏和玻璃片贴合在一起，往围栏中加入sio2微球的水分散液，水分蒸发后得到光子晶体。3.根据权利要求1所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的p(aa-am)水凝胶溶液以水为溶剂，包含单体丙烯酸和丙烯酰胺、交联剂n-n’亚甲基双丙烯酰胺、热引发剂过二硫酸钾。4.根据权利要求1所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的添加了4-(2-丙烯酰胺乙基氨基甲酰基)-3-氟苯基硼酸的p(aa-am)水凝胶溶液包含如下含量的组分：10％-25％丙烯酸单体，10％-25％丙烯酰胺单体，1
‰‑5‰
过二硫酸钾，1
‰‑5‰
n-n’亚甲基双丙烯酰胺，5％-20％4-(2-丙烯酰胺乙基氨基甲酰基)-3-氟苯基硼酸，溶剂为水。5.根据权利要求1所述的用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的氢氟酸溶液的浓度为10％-49％。6.一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶，其特征在于：通过权利要求1-5任一项所述的制备方法得到。7.权利要求6所述的光子晶体水凝胶在血糖检测或制备血糖检测产品中的应用。8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的血糖检测为血糖水平的可视化检测。9.一种血糖检测产品，其特征在于：包含权利要求6所述的光子晶体水凝胶。10.根据权利要求9所述的产品，其特征在于：所述的血糖检测为血糖水平的可视化检测。

技术总结
本发明公开了一种用于可视化血糖检测的光子晶体水凝胶的制备方法及其应用，属于生物医学领域。本发明的光子晶体水凝胶的制备方法包括如下步骤：将使用二氧化硅微球制备得到的光子晶体固定在两片玻片之间；将添加了葡萄糖响应性分子4-(2-丙烯酰胺乙基氨基甲酰基)-3-氟苯基硼酸的P(AA-Am)水凝胶溶液注入光子晶体的缝隙中，加热固化后取下含有光子晶体和水凝胶的玻片，将其浸泡在氢氟酸溶液中使二氧化硅微球被刻蚀，得到光子晶体水凝胶。本发明的光子晶体水凝胶具有良好的生物相容性以及葡萄糖可逆响应性，可以将葡萄糖浓度可视化，可用于血糖水平的可视化检测。用于血糖水平的可视化检测。用于血糖水平的可视化检测。


技术研发人员：雷祎凤 杨旭霞 王燕 朱博 吴悠 黄卓
受保护的技术使用者：武汉大学深圳研究院
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/9/5