[发明专利]一种结构增强的生物活体传感材料及其制备方法

说明书

本发明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；本发明制备方法简单、成本低。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

发明目的：本发明提供一种机械结构增强的生物活体传感材料；另外，本发明还提供一种结构增强的生物活体传感材料的制备方法。

技术方案：本发明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。

本发明研究发现，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。

本发明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：

(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。

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-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。

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。