一、研究背景

如今，糖尿病已成为医学界高度关注的问题。糖尿病患者的治疗过程通常包括监测尿糖和血糖水平。最新开发的葡萄糖摄取探针可用于体内和体外生物发光检测。它们是识别葡萄糖转运抑制剂的新工具，检测精度高，可作为成像试剂广泛应用于药物开发领域。在复杂的情况下，有时需要检测不同部位的葡萄糖。生物流体中的葡萄糖检测技术相对成熟。最近，在小鼠大脑中成功实现了葡萄糖检测。用于葡萄糖传感器的材料包括金属、聚合物和复合材料。纳米材料在生物传感技术的发展中起着举足轻重的作用。纳米结构打破了电子传输障碍，重新定义了结构特性和传感精度的临界点，从而推动了生物传感技术的发展。电化学传感技术广泛应用于各个领域，其中以葡萄糖传感最为常见。然而，由于需要各种仪器，电化学测量技术的使用受到了限制。要提高利用率，往往需要在不降低传感性能的前提下，以其他方式参与生物传感系统。

电纺丝技术简化了纳米纤维的制备过程，扩大了其应用范围，无需复杂仪器即可进行生物分子检测。电纺丝装置可由多种物质制成，如聚合物、小分子、胶体颗粒和复合物。通过物理或化学改性增加液体的粘弹性，可使纤维形成。单流体电纺丝是最常见、成本最低的方法，只涉及一种可纺丝液体，其分子量决定电纺丝性。然而，与多流体电纺丝相比，单流体电纺丝产生的单轴纳米纤维具有均匀的结构，限制了其产生多级效应或调节成分间空间关系的能力，更不用说设计多种功能了。多级结构可有效设计和调节元件的位置和分布，在纳米尺度上实现定制功能。多流体纺丝提高了制备功能纳米纤维的效率，可一步制备复杂的功能纳米纤维。 一系列具有多级结构的喷丝板已被报道，这些喷丝板可用于实施多流体电纺丝工艺，以制备复杂的生物医学纳米结构。芯-鞘纳米纤维是一种具有分层结构的纳米材料，可针对特定功能进行定制。同轴电纺工艺增加了材料的选择性，并使非纺丝流体参与电纺过程，进一步提高了制备功能纤维的潜力。电纺纤维可通过后处理进行改进，如化学和物理处理，包括碳化、热处理和交联。交联对于提高无序单轴纳米纤维的机械和电气性能尤为重要，同时还能最大限度地改善其形态和复杂性。同样，加热温度或饱和蒸汽法也可用于改善聚合物纤维的性能。电纺纳米纤维已被证明可用于生物医学领域，如生物传感、临床诊断和治疗以及药物输送。电纺纳米纤维可以量身定制，完美适应各种复杂的生物环境，是生物医学工程领域的重要工具。

上海理工大学余灯广教授和中国科学院上海技术物理研究所邵军研究员团队共同开发了一种新的电纺丝策略，用于实现简单高效的葡萄糖传感。将改良的同轴工艺和单流体工艺相结合，定制了电纺双层纤维膜中各组分的空间位置和分布，其功能表现优于单芯-鞘纤维垫。由于聚甲基丙烯酸甲酯 A 型（Eudragit L 100）和聚乙烯吡咯烷酮 K90（PVP K90）具有成丝特性，因此被选为聚合物基质。Eudragit L 100 可将酶固定在纳米纤维表面，保护酶不被降解，同时允许酶与目标分析物发生选择性相互作用。WSL 可以增强酶的活性，保护酶不发生变性。PVP 具有生物相容性和水溶性，是用于固定和稳定酶的理想选择。当与酶结合时，PVP 可帮助保护酶不发生变性，保持酶的活性，延长其保质期并改善其性能。葡萄糖氧化酶（GOx）和苯酚被用作生物反应第一层和第二层的功能成分，用于构建比色葡萄糖传感器。对双层传感器进行了系统表征，并验证了其能够为准确反应提供基础。

二、摘要

本研究介绍了一种基于电纺芯-鞘纳米纤维的葡萄糖生物传感器。采用不同的电纺工艺制作了两种薄膜。薄膜 F1 完全由芯鞘纳米纤维组成，采用改良的同轴电纺丝工艺制作。薄膜 F2 是通过顺序电纺丝和混合工艺制作的双层混合薄膜。薄膜 F2 的底层由采用改进工艺制作的芯-鞘纳米纤维组成，其中芯部分采用纯聚甲基丙烯酸酯 A 型（Eudragit L100），鞘部分采用水溶性木质素（WSL）和苯酚。F2 的顶层含有葡萄糖氧化酶（GOx）和金纳米粒子，通过单流体混合电纺工艺将其分布在聚乙烯吡咯烷酮 K90（PVP K90）纳米纤维中。研究详细考察了顺序电纺工艺。实验结果表明，与 F1 相比，F2 混合膜对β-D-葡萄糖的降解效率更高，在 10-40 mmol/L 浓度范围内，12 h 后的降解效率最高可达 70% 以上。混合薄膜 F2 用于 1-15 mmol/L β-D 葡萄糖的比色传感。随着 β-D 葡萄糖浓度的增加，溶液的颜色逐渐加深。电纺丝可灵活地创建生物级联反应结构，双层杂交膜可为开发其他生物级联反应提供一个简单的模板。

三、结论

本研究采用改良同轴电纺丝和单流体纺丝的顺序工艺制备了葡萄糖分子显色传感器。详细研究了电纺丝过程，并制备了两种作为葡萄糖传感器的纤维薄膜。第一种薄膜 F1 采用了改良同轴工艺，纤维芯层和鞘层装载了不同的功能物质，即芯层装载苯酚，鞘层装载 GOx。功能物质在纤维中均匀分布，GOx 活性不受影响。但是，这种纤维膜中的 GOx 无法交联固定，导致葡萄糖降解效率较低。第二种混合膜 F2 采用了在芯-鞘纤维的鞘中加载苯酚和在单流体纤维中加载 GOx 的顺序工艺，从而使同一纤维中的组分具有良好的兼容性。纤维膜的交联实现了在 12 小时内高效降解 β-D 葡萄糖，并最终实现了浓度在 1-15 mmol/L 范围内的β-D-葡萄糖的线性颜色传感。以β-D-葡萄糖为传感分子模型，采用纤维高效固定化工艺负载和固定GOx，制备了具有芯鞘纳米结构的聚合物基纤维传感器。利用电纺丝技术制备纳米纤维膜作为水溶性可降解传感器，可拆卸电纺丝装置的使用使纳米纤维膜的制备变得简单方便。此外，所制备的基于纳米纤维的水溶性葡萄糖传感器的检测范围与人体内的葡萄糖水平一致。本研究中研究的混合膜可以为开发传感纳米材料提供一个简单的模板。通过调整使用更有效的比色剂或使用催化性更好的过氧化物酶，可以加快反应速率并缩短反应时间。利用不同的工艺比较了结构复杂性对纤维膜传感性能的影响。这种顺序工艺的设计模式可将纳米技术直接应用于传感过程，减少多余步骤和成本，为更多涉及复杂反应体系的传感器提供参考价值。

图1.改进的同轴电纺丝工艺（a）以及芯鞘和整体纳米纤维的顺序收集（b）。

 

图2.可拆卸式同心喷丝头的制备：（a-c）显示了通过连接聚乙烯管和传统针头而形成的喷丝头；（d,e）显示了用于进行工作过程的注射器的组织结构。

 

图3.用于制造样品 F1 和 F2 的 EHDA 工艺的实施： (a) 定制电纺丝设备的整体数字图像；(b) 喷丝板与工作流体（右下插图为放大图像）和电源的连接；(c) 制备芯鞘纳米纤维 F1（左下插图为典型的泰勒锥）； (d) 芯层工作液的单流体电纺丝，具有良好的电纺丝性（左下插图为典型的泰勒锥）； (e) 鞘层工作液的单流体电纺丝，不具有电纺丝性（左下插图为典型的泰勒锥）；以及 (f) 制备样品 2 的下层（左下插图为典型的复合泰勒锥）。

 

图4.(a) 芯鞘纤维膜的 TEM 显微照片；交联后纤维膜的 SEM 显微照片：(b) 仅芯鞘纤维膜 F1；(c) 混合纤维膜 F2。