基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法

1.本发明涉及微针制备技术领域，尤其涉及一种基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法。


背景技术：

2.糖尿病患者每天需要进行多次血糖测量及给药，面对测量血糖时刺破手指带来的痛苦。微针电极阵列在糖尿病连续监测方面已经得到了很大的发展，基于微针电极的植入式传感器通过减小疼痛感从而提高病人的依从性，并严格监控血糖，降低血糖以及糖尿病并发症的风险。随着研究的不断深入，检测血液、组织液内葡萄糖的微针血糖传感电极的线性检出范围、灵敏度、反应时间以及存放时间都得到了极大的改善。
3.目前，三维微针电极本身规模化加工难度高，电极加工工艺比较复杂，采用常规浸涂方法制备的微针电极表面涂层修饰均匀性差，难以批量重复性修饰且涂层修饰不牢固容易脱落。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法，实现批量重复性修饰涂层，提高涂层的牢靠性和均匀性，优化制备工艺。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法，包括以下步骤：
6.对金属薄片进行切割，得到悬挂式金属平面微针片；
7.对所述金属平面微针片进行清洗，并对清洗后的金属平面微针片通过磁控溅射制备电极层；
8.采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正反两面分别依次印刷功能层；所述功能层包括电子介体层、葡萄糖氧化酶层及外膜层；
9.对悬挂部位进行切割以使镀有功能层的金属平面微针片脱模；
10.将若干个脱模后的金属平面微针片通过基底框架进行组装得到三维微针血糖电极。
11.可选地，所述对金属薄片进行切割，具备包括：
12.采用激光打标机或激光切割机对金属薄片进行切割。
13.可选地，当采用激光打标机对金属薄片进行切割，具体包括：
14.将金属薄片置于激光打标机的夹具工装内固定，设置激光打标机按照第一预设参数对所述金属薄片执行反相不完全切割；其中，切割的轮廓线按预设间距外延若干次。
15.可选地，当采用激光打标机对金属薄片进行切割，打标次数与金属薄片的厚度呈正相关。
16.可选地，所述对所述金属平面微针片进行清洗，具体包括：
17.采用激光打标机按照第二预设参数分别对金属平面微针片的正反面执行激光清
洗。
18.可选地，所述电子介体层的材料包括碳纳米管或还原氧化石墨烯，所述碳纳米管或还原氧化石墨烯的丝网印刷材料通过以下方法制备：
19.将多壁碳纳米管粉末或还原氧化石墨烯粉末溶解于异丙醇中，配置为预设浓度的溶液。
20.可选地，所述采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正反两面分别依次印刷功能层，所述功能层包括电子介体层、葡萄糖氧化酶层及外膜层，具体包括：
21.采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正面印刷电子介体层；
22.采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的反面印刷电子介体层；
23.采用丝网印刷在印刷有电子介体层的金属平面微针片的正面印刷葡萄糖氧化酶层；
24.采用丝网印刷在印刷有电子介体层的金属平面微针片的反面印刷葡萄糖氧化酶层；
25.采用丝网印刷在印刷有葡萄糖氧化酶层的金属平面微针片的正面印刷外膜层；
26.采用丝网印刷在印刷有葡萄糖氧化酶层的金属平面微针片的反面印刷外膜层。
27.可选地，所述方法包括：
28.采用膜厚仪检测电极层和功能层的厚度。
29.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例首先通过对金属薄片进行切割得到悬挂式金属平面微针片；然后对清洗后的金属平面微针片通过磁控溅射制备电极层，采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正反两面分别依次印刷功能层；最后对脱模后的金属平面微针片组装得到三维微针血糖电极；通过采用丝网印刷工艺实现批量重复性制备牢靠性和均匀性良好的功能层，通过先制备二维平面微针片，再组装成三维微针电极，优化制备工艺，减低生产和加工成本。
附图说明
30.图1是本发明实施例提供的一种基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法的步骤流程示意图；
31.图2是本发明实施例提供的另一种基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法的步骤流程示意图；
32.图3是本发明实施例提供的一种正相切割和反相切割的结构示意图；
33.图4是本发明实施例提供的一种采用丝网印刷制备的金属平面微针片的sem图；
34.图5是本发明实施例提供的一种采用丝网印刷制备的电极和商用电极测试血糖浓度的对比图；
35.图6是本发明实施例提供的一种采用丝网印刷在平面微针薄片制备碳纳米管的厚度结果图。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各
步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
37.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于降维丝网印刷制备三维微针血糖电极的方法，其包括的步骤如下所示：
38.s100、对金属薄片进行切割，得到悬挂式金属平面微针片。
39.需要说明的是，金属薄片包括不锈钢片，如304h等所有牌号不锈钢片，也可以是其他任何可以被1064nm波段激光刻蚀的金属薄片，薄片厚度在50um到400um之间。悬挂式金属平面微针片可以理解为，金属平面微针片通过连接部位与金属薄片连接。
40.需要说明的是，切割设备可以采用激光打标机，也可以采用激光切割机或精密加工中心等任何可以精密切割平面金属片的设备。
41.可选地，所述对金属薄片进行切割，具备包括：
42.s110、采用激光打标机或激光切割机对金属薄片进行切割。
43.可选地，当采用激光打标机对金属薄片进行切割，具体包括：
44.s111、将金属薄片置于激光打标机的夹具工装内固定，设置激光打标机按照第一预设参数对所述金属薄片执行反相不完全切割；其中，切割的轮廓线按预设间距外延若干次。
45.可选地，当采用激光打标机对金属薄片进行切割，打标次数与金属薄片的厚度呈正相关。
46.在一个具体实施例中，取不锈钢片置于激光打标机夹具工装内固定，执行反相不完全切割，轮廓线作10次外延，间距1um。切割参数如下：打标速度700mm/s，空跳速度2000mm/s，q频40khz，q释放：1us，功率6w，激光脉宽30us，打标次数/钢片厚度：1200次/150um、1400次/200um、2500次/400um。
47.s200、对所述金属平面微针片进行清洗，并对清洗后的金属平面微针片通过磁控溅射制备电极层。
48.需要说明的是，对金属平面微针片的正反面执行激光清洗可以进一步提高电极层与金属薄片的牢靠性。
49.需要说明的是，电极层的材料包括但不限于碳、金或铂等。
50.可选地，所述对所述金属平面微针片进行清洗，具体包括：
51.s210、采用激光打标机按照第二预设参数分别对金属平面微针片的正反面执行激光清洗。
52.在一个具体实施例中，对切割后钢片，去除反相图案得到带微针图案的钢片，对钢片正反面分别执行一次执行激光清洗，清洗参数如下：打标速度2000mm/s，空跳速度3000mm/s，q频50khz，q释放：1us，功率4w，激光脉宽8us。
53.s300、采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正反两面分别依次印刷功能层；所述功能层包括电子介体层、葡萄糖氧化酶层及外膜层。
54.本领域技术人员可以理解的是，外膜层可以提高耐磨性并防止功能涂层脱落，还可以提高待测物的通过率。
55.在一个具体实施例中，葡萄糖氧化酶溶液配制如下：准确称取500mg葡萄糖氧化酶溶解于10mlpbs缓冲溶液中，配制浓度为50mg/ml的葡萄糖氧化酶溶液。外膜液配制如下：取6％peg/thf溶液和4％pu/thf溶液按4:1比例混合并搅拌均匀。
56.需要说明的是，电子介体层的材料包括但不限于cnt(碳纳米管)，还原氧化石墨烯，mxene,水凝胶电子介体等。
57.mxene材料是一类具有二维层状结构的金属碳/氮化物(transition metal carbide/nitride),其化学通式为mn 1xntx，其中(n＝1～3)，m代表早期过渡金属，如ti、zr、v、mo等，x代表c或n元素，tx为表面基团，通常为-oh、-o、-f和-cl。
58.可选地，所述电子介体层的材料包括碳纳米管或还原氧化石墨烯，所述碳纳米管或还原氧化石墨烯的丝网印刷材料通过以下方法制备：
59.s310、将多壁碳纳米管粉末或还原氧化石墨烯粉末溶解于异丙醇中，配置为预设浓度的溶液。
60.在一个具体实施例中，纳米电子介体溶液配制如下：准确称取500mg多壁碳纳米管粉末(还原石墨烯粉末)溶解于10ml异丙醇中，配制浓度为50mg/ml的碳纳米管溶液(还原石墨烯溶液)。
61.可选地，所述采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正反两面分别依次印刷功能层，所述功能层包括电子介体层、葡萄糖氧化酶层及外膜层，具体包括：
62.s321、采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正面印刷电子介体层；
63.s322、采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的反面印刷电子介体层；
64.s323、采用丝网印刷在印刷有电子介体层的金属平面微针片的正面印刷葡萄糖氧化酶层；
65.s324、采用丝网印刷在印刷有电子介体层的金属平面微针片的反面印刷葡萄糖氧化酶层；
66.s325、采用丝网印刷在印刷有葡萄糖氧化酶层的金属平面微针片的正面印刷外膜层；
67.s326、采用丝网印刷在印刷有葡萄糖氧化酶层的金属平面微针片的反面印刷外膜层。
68.在一个具体实施例中，取整版带微针图案的不锈钢片，依次对其正反面采用丝网印刷法修饰功能层，功能层修饰次序如下：
69.工序1：取ss-au(带有金保护层的钢片)置于自动丝网印刷机工装位，取已掩膜图案化的干净料槽，倒入碳纳米管溶液，安装料槽与刷版，执行一次印刷；印刷完毕后取下不锈钢片，翻面后重新放置于工装位，执行第二次印刷，取出不锈钢片(记为ss-au-cnt)，自然晾干后进入下道工序。
70.工序2：取ss-au-cnt置于自动丝网印刷机工装位，取已掩膜图案化的干净料槽，倒入葡萄糖氧化酶溶液，安装料槽与刷版，执行一次印刷；印刷完毕后取下不锈钢片，翻面后重新放置于工装位，执行第二次印刷，取出不锈钢片(记为ss-au-cnt-gox)，自然晾干后进入下道工序。
71.工序3：取ss-au-cnt-gox置于自动丝网印刷机工装位，取已掩膜图案化的干净料槽，倒入外膜溶液，安装料槽与刷版，执行一次印刷；印刷完毕后取下不锈钢片，翻面后重新放置于工装位，执行第二次印刷，取出不锈钢片(记为ss-au-cnt-gox-pu)，自然晾干。
72.s400、对悬挂部位进行切割以使镀有功能层的金属平面微针片脱模。
73.在一个具体实施例中，对完成功能层修饰的不锈钢片，对微针图案与底板黏连处
执行激光切割以脱模。
74.s500、将若干个脱模后的金属平面微针片通过基底框架进行组装得到三维微针血糖电极。
75.在一个具体实施例中，脱模后的微针片通过三维框架组装，三维阵列化组成电极阵列。
76.参阅图2，以不锈钢片为例，采用激光反相切割不锈钢片制备得到悬挂式的平面微针片，采用磁控溅射在悬挂式的平面微针片的表面制备金保护层，然后在镀有金保护层的正反两面采用丝网印刷制备功能层，最后将印刷有功能层的悬挂式的平面微针片进行激光切割脱模，并进行三维组装制备三维微针电极。其中，参阅图3，平面微针片的正相切割和反相切割的示意图。通过上述方法制备平面微针片的sem图如图4所示。
77.三维微针电极阵列的电化学测试方法如下：取10ml烧杯一只，以修饰好的工作电极为工作电极，取商用铂电极为对电极，取ag/agcl电极为参比电极，放入烧杯中，在烧杯中加入10ml的pbs缓冲溶液，将电极浸入溶液中。打开电化学工作站软件，选择cyclic-voltammetry选项。设置参数：init e:-0.2v，high e：0.8v，low e:-0.2v，final e：-0.2v，initial scan polarity：negative scan rate:0.1v/s，sweep segments:10，sample interval:0.001v，观察测量得出的峰值。
78.微针电极的性能表征葡萄糖响应的过程如下：取10ml烧杯一只，以修饰好的工作电极为工作电极，取商用铂电极为对电极，取ag/agcl电极为参比电极，放入烧杯中，在烧杯中加入10ml的pbs缓冲溶液，将电极浸入溶液中。打开上海辰华电化学工作站软件，选择amperometric i-t curve选项。设置参数：init e:0.5v，sample interval:0.1s，run time：300s，sensitivity:0.00001a/v，在溶液中加入不同浓度的葡萄糖溶液，使得溶液的浓度变化为2mm/4mm/6mm/8mm/10mm/12mm/14mm/16mm/18mm/20mm，测量不同浓度下的葡萄糖响应。
79.将上述制备的微针血糖电极在活体检测，实验结果参照图5，连续稳定检测3天血糖，检测范围0-22mm。电极表面平整，对线性范围提高了一倍，达到检测葡萄糖0-25mm范围，能够在活体进行检测血糖波动，体内检测范围也到达了0-22mm。
80.可选地，所述方法包括：
81.s600、采用膜厚仪检测电极层和功能层的厚度。
82.需要说明的是，通过膜厚仪检测电极层和功能层的厚度，克服了常规浸涂法电极表面粗糙，批次功能层的厚度差异等问题，提高了电极的一致性。
83.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例首先通过对金属薄片进行切割得到悬挂式金属平面微针片；然后对清洗后的金属平面微针片通过磁控溅射制备电极层，采用丝网印刷在镀有电极层的金属平面微针片的正反两面分别依次印刷功能层；最后对脱模后的金属平面微针片组装得到三维微针血糖电极；通过采用丝网印刷工艺实现批量重复性制备牢靠性和均匀性良好的功能层，通过先制备二维平面微针片，再组装成三维微针电极，优化制备工艺，减低生产和加工成本。
84.下面以几个实施例进行对比实验。
85.实施例1：通过降维丝网印刷法规模化制备碳纳米管电子介体三维微针阵列血糖电极。
86.实施例2：通过降维丝网印刷法规模化制备碳还原氧化石墨烯电子介体三维微针阵列血糖电极。
87.对比例1：采用常规浸涂法制备碳纳米管电子介体三维微针血糖电极。
88.对比例2：采用常规浸涂法制备还原石墨烯介体三维微针血糖电极。
89.将实施例1、实施例2，对比例1、对比例2制备的三维微针传感电极进行葡萄糖溶液浓度测试，所得数据如表1所示。
90.表1、pbs缓冲溶液中的葡萄糖安培响应测试数据表
91.性能实施例1实施例2对比例1对比例2检测区间0-20mm0-20mm1-10mm0-16mm检出限200um200um200um200um灵敏度120na/mm40na/mm16na/mm8na/mm
92.测试结果表明，使用本技术的丝网印刷三维微针电极能够达到与现有技术中采用常规浸涂法比较具有同样的效果。如图6所示，实施例1的cnt层材料的均匀性《87um，电极灵敏性差别小于23％，线性范围的最高限都在18-19mm。对比例1采用常规浸涂修饰方法，做出来的微针电极，均匀性《30um，电极灵敏性差别小于263％，线性范围都在8-20mm。
93.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。