一种水凝胶及两性水凝胶成形体的制备方法和应用与流程

本发明涉及一种水凝胶，尤其涉及一种用于检测葡萄糖浓度的水凝胶。

背景技术：

葡萄糖是人体活动的主要能量来源，葡萄糖检测在生物医学中具有重要意义。在临床医学上，糖尿病严重危害着人类的身体健康，其诊断和治疗一直是医学界的重大难题。尿糖(尿中的糖类，主要是指尿中的葡萄糖)检测是早期诊断糖尿病的最简单方法，当正常血液流经肾脏时，其中的葡萄糖通过肾小球的滤过作用，以及肾小管的重吸收作用，使得尿液中仅含有微量的葡萄糖，用普通的方法检测不出来。但是肾脏对葡萄糖的滤过和重吸收是有限制的，当超过一定数值时，肾脏的作用并不能吸收全部的葡萄糖，则剩余的葡萄糖就会随尿液排出形成尿糖。尿糖含量高主要是因为血糖含量过高，能够出现糖尿的最低血糖值为肾糖阈值，血糖高于此值即会出现尿糖，正常人的肾糖阈值为8.9-10mmol/L，健康人即使在饭后也不会超过此值，轻度糖尿病患者空腹也不会出现尿糖，故必须检查饭后两小时尿糖，此时血糖含量最高，尿糖阳性率也最高。故尿糖检测具有较高的诊断价值，尤其对早起无任何症状的患者意义更大。

如今，尿糖患者主要通过尿糖试纸来检测自己的尿糖情况，通过试纸上呈现的深浅不同的颜色变化来判断尿糖的阳性和阴性以及尿糖的等级。尿糖试纸主要由葡萄糖氧化酶(GOD)，过氧化物酶(POD)以及显色系统组成，其原理是连续的酶反应。当尿糖试纸与糖尿接触时，葡萄糖连续进行以下反应：

I₂+聚乙烯吡咯烷酮→棕色沉淀

首先葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸和过氧化氢，然后过氧化氢酶催化过氧化氢与碘化钾发生显色反应产生游离的碘再与聚乙烯吡咯烷酮络合产生棕色沉淀，由于背景物质亮蓝的存在，试纸根据葡萄糖含量不同由少到多依次呈现浅蓝、浅绿、棕或深棕色。浅蓝色表示没有糖尿病，用“-”表示；棕红色表示有糖尿病，用“+”表示，颜色越深则“+”越多，糖尿病越严重。尿糖试纸具有携带方便，显色稳定等诸多优势，但由于是酶催化发生反应，故反应条件比较苛刻，受诸多外界条件限制。另外，关键问题在于，尿糖试纸只能间接测试10mmol/L以上的血糖参考值，检测限高，且检测浓度不精确。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种水凝胶以及由水凝胶制成的两性水凝胶成形体在检测尿液中葡萄糖含量的药物中的应用，该两性水凝胶成形体检测尿糖的检测限低，直观精准的检测尿液中葡萄糖浓度。

本发明的一种水凝胶，包括N-异丙基丙烯酰胺和3-丙烯酰胺基苯硼酸的共聚物、以及包裹在所述共聚物内的表面活性剂。

进一步的，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和斯盘-80(Span 80)中的一种或几种，优选十二烷基硫酸钠(SDS)。

进一步的，所述共聚物内还包裹有能够感应磁性的磁性颗粒。

进一步的，所述磁性颗粒为四氧化三铁纳米颗粒、金属镍纳米颗粒和金属钴纳米颗粒中的一种或几种，优选四氧化三铁纳米颗粒。

本发明的一种由上述水凝胶制成的两性水凝胶成形体，所述两性水凝胶成形体为流线体，且一端具有亲水性、另一端具有疏水性，其中流线体优选鱼形，两性水凝胶成形体内包裹有表面活性剂，优选十二烷基硫酸钠，还包裹有能够感应磁性的磁性颗粒，四氧化三铁纳米颗粒、金属镍纳米颗粒和金属钴纳米颗粒中的一种或几种，优选四氧化三铁纳米颗粒。

本发明的一种两性水凝胶成形体的制备方法，包括以下步骤：

(1)将N-异丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸以及表面活性剂在溶剂中混匀，得到混合溶液；其中，N-异丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸的摩尔比为4-6:1，优选5:1；溶剂为二甲基亚砜或水中的一种或组合，优选二甲基亚砜；表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和Span 80中的一种或几种，优选十二烷基硫酸钠；还加入了交联剂和引发剂，交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺或聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或组合，优选N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，催化剂量的引发剂，引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮或2,4-二羟基二苯甲酮中的一种或几种，优选偶氮二异丁脒盐酸盐，还加入了催化剂量的促交联剂N,N,N',N'-四甲基二乙胺，N-异丙基丙烯酰胺与交联剂的摩尔比为9-11:1，优选10：1。

(2)将步骤(1)中得到的混合溶液用滴管/移液管移入流线型型腔的模具中，并通过紫外光照射发生共聚反应，得到具有所述模具形状的流线型水凝胶；其中，反应温度为15-30℃，优选20℃，具有流线型型腔的模具优选鱼形。

(3)将步骤(2)得到的流线型水凝胶其中一端置于疏水性的酯类溶液(酯类溶剂溶于易挥发溶剂中)中后取出，易挥发溶剂蒸发后，即该端部涂有疏水性的酯类溶剂，进而形成不对称结构；将水凝胶放入水中清洗掉表面的表面活性剂，使其只有内部包裹表面活性剂SDS，得到所述两性水凝胶成形体；其中，将流线型水凝胶圆形的一端(如鱼形中鱼头一端)置于聚己内酯溶液中，聚己内酯溶解在二氯甲烷中。

进一步的，步骤(1)中，还加入能够感应磁性的磁性颗粒，所述磁性颗粒为四氧化三铁纳米颗粒、金属镍纳米颗粒和金属钴纳米颗粒中的一种或几种，优选四氧化三铁纳米颗粒。

本发明的两性水凝胶成形体在制备检测尿液中葡萄糖含量的药物中的应用，该两性水凝胶成形体检测尿糖的检测限低，直观精准的检测尿液中葡萄糖浓度。

本发明的一种葡萄糖浓度的检测方法，包括以下步骤：

(1)将上述两性水凝胶成形体分别置于至少两种浓度已知的葡萄糖标准溶液中，并根据两性水凝胶成形体在标准溶液中时间T内运动距离与葡萄糖浓度得到曲线图，根据曲线图得到计算公式(Ⅰ)；

计算公式如下：

y＝ax+b(Ⅰ)

其中，y为葡萄糖浓度，x为两性水凝胶成形体在时间T内的运动距离，a和b均为常数。

(2)将两性水凝胶成形体置于待检测溶液中，测定两性水凝胶成形体在时间T内的运动距离x。

(3)根据式(Ⅰ)计算出待检测溶液中葡萄糖浓度y。

进一步的，步骤(1)中，所述两性水凝胶成形体内包裹有磁性颗粒，如四氧化三铁纳米颗粒，通过外部磁场控制两性水凝胶成形体的运动方向。

两性水凝胶成形体主要由N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)和表面活性剂(如十二烷基硫酸钠，简称为SDS)三种物质通过共聚合反应，形成包裹表面活性剂的、经过AAPBA修饰的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝胶构成。其中，PNIPAM具有较好的膨胀、收缩性能，AAPBA是一种葡萄糖响应物质，表面活性剂可以改变溶液的表面张力，提供两性水凝胶成形体运动的动力。当葡萄糖存在时，AAPBA与葡萄糖发生络合，使两性水凝胶成形体疏水性降低，进而使其体积发生膨胀，释放内部包裹的表面活性剂，使两性水凝胶成形体响应葡萄糖运动。

AAPBA在水溶液中存在两种状态，一种是不带电的疏水的状态，另一种是带电的亲水的状态，两者之间存在一个如下述所示的平衡方程：

当加入葡萄糖时，葡萄糖与带电的亲水性AAPBA发生络合，进而使AAPBA的平衡方程向右移，产生更多的带电亲水性AAPBA，进而使整体水凝胶的疏水性降低，亲水性增加，使水凝胶膨胀，释放表面活性剂，驱使水凝胶运动。随着葡萄糖浓度的增加，水凝胶亲水性增加，膨胀率增加，释放的表面活性剂增多，进而运动速度更快。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明采用一种全新的葡萄糖检测方法，基于两性水凝胶成形体的运动并且无酶的参与检测葡萄糖的方法，制作方法简单，两性水凝胶成形体的一定时间段内的运动距离正比于葡萄糖浓度，通过直接观察一定时间段内运动距离即可算出葡萄糖浓度，直观的显示葡萄糖浓度，更加方便；本发明在室温下即可实现，且尿糖检测限低，最低可达5mmol/L，测量浓度精确，完全适用于尿糖临床检测。

两性水凝胶成形体内同时包裹有磁感应物，如四氧化三铁纳米颗粒，可以通过磁场控制两性水凝胶成形体在含有葡萄糖的溶液中直线运动，更直观看出运动速度、更简便的分析计算葡萄糖浓度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1中a-d图示了实施例1中两性水凝胶成形体的制备过程；

图2图示了两性水凝胶成形体在不同浓度的葡萄糖溶液中4秒内运动的路径；

图3图示了磁场控制两性水凝胶成形体由螺旋运动到直线运动的路径；

图4中a图示了两性水凝胶成形体在含有不同浓度葡萄糖的尿液中4秒内运动的轨迹，b图示了4秒内尿液中葡萄糖不同浓度对应的两性水凝胶成形体的距离；

图5图示了AAPBA(a)、温度(b)、交联剂(c)、SDS(d)分别对两性水凝胶成形体运动速度的影响。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

1、两性水凝胶成形体的制备

将56mg N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、19.1mg 3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)、以及4.6mg的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、17.3mg的表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)溶于1mL二甲基亚砜中，超声1min形成混合溶液，然后将2.7mg引发剂偶氮二异丁脒盐酸盐和20μL促交联剂N,N,N',N'-四甲基二乙胺加入到此混合溶液中，搅拌2min后，再将10mg Fe₃O₄纳米颗粒加入到混合溶液中，超声振荡2min后，向混合溶液中通入N₂40min；之后用移液管将混合溶液移入鱼状模板中，如附图1中的图a-图b所示；通过紫外光照射2.5h，发生共聚反应，生成水凝胶，然后将水凝胶从模板中释放(用镊子将书凝胶与模版分离)出来，并将其头部浸入聚己内酯的三氯甲烷溶液中1min取出，其中聚己内酯的质量比为8％，待聚己内酯固定后，如附图1中的图c-图d所示；将其整个置于水中，清洗掉表面的SDS，直至在水中不能移动，得到两性水凝胶成形体。

2、检测尿液中葡萄糖浓度

将制备好的两性水凝胶成形体分别置于40mL葡萄糖浓度为3mmol/L、5mmol/L、10mmol/L、30mmol/L、50mmol/L、60mmol/L的尿液(从健康人体取得)中，分别得到两性水凝胶成形体在各溶液中运动4秒的运动路径，如附图2所示，随着葡萄糖浓度的增大，两性水凝胶成形体在相同时间段内运动路径增大；将磁铁放在距离两性水凝胶成形体10㎝处控制两性水凝胶成形体直线运动，如附图3所示，磁场控制两性水凝胶成形体由螺旋运动到直线运动。

将制备好的两性水凝胶成形体分别置于40mL葡萄糖浓度为5mmol/L、10mmol/L、20mmol/L、30mmol/L、40mmol/L、50mmol/L、60mmol/L的尿液(从健康人体取得)中，将磁铁放在距离两性水凝胶成形体10㎝处控制两性水凝胶成形体呈直线运动，分别得到两性水凝胶成形体在各溶液中运动4秒的运动路径，用摄像机拍摄两性水凝胶成形体运动2020欧洲杯投注官网 ，用PhysVis软件分析2020欧洲杯投注官网 中两性水凝胶成形体运动距离与葡萄糖浓度的关系，得出曲线图，如附图4所示，图a为两性水凝胶成形体在不同葡萄糖浓度的尿液中的运动轨迹，图b为在4秒内两性水凝胶成形体在不同葡萄糖浓度的尿液中的运动距离，由此可得出，运动距离与葡萄糖浓度成正比，根据曲线图得出计算公式如下：

y＝2.85x+2.82

其中，y为葡萄糖浓度，x为两性水凝胶成形体在相同时间段内的运动距离。

将两性水凝胶成形体置于葡萄糖浓度未知的被尿液中，通过观测并分析两性水凝胶成形体4秒内的运动距离，利用计算公式：y＝2.85x+2.82即可得出此尿液中的葡萄糖浓度。

3、两性水凝胶成形体检测葡萄糖浓度的影响因素

(1)3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)的影响

AAPBA不仅提供了葡萄糖响应性，而且使水凝胶的疏水性增加，在一定含量范围内，随着AAPBA含量增加，两性水凝胶成形体运动速度增加；当AAPBA含量增加到一定程度时，水凝胶疏水收缩，膨胀率降低，运动速度减慢，如附图5中的图a所示，3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)对水凝胶运动速度的影响：随着AAPBA含量的增加，水凝胶的运动速度先增加后减小。

(2)温度(T)的影响

因包裹表面活性剂、经过AAPBA修饰的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝胶是温度响应性水凝胶，故温度对水凝胶的葡萄糖响应性也有影响；温度低时，水凝胶已经呈现为膨胀状态，加入葡萄糖并无响应；温度高时，水凝胶一直处于收缩状态，葡萄糖的加入并不能使其膨胀，通过调节个组份，使两性水凝胶成形体的最佳使用温度为室温(20-35℃)，即在室温下即可用两性水凝胶成形体检测葡萄糖浓度，如附图5中的图b所示，温度(T)对水凝胶运动速度的影响：随着温度的增加，水凝胶的运动速度先增加后减小。

(3)交联剂(MBA)的影响

交联剂(MBA)含量少，水凝胶处于膨胀状态，没有葡萄糖响应性；交联剂含量多，水凝胶处于收缩状态，也没有葡萄糖响应性，如附图5中的图c所示，交联剂(MBA)对水凝胶运动速度的影响：随着MBA含量的增加，水凝胶的运动速度先增加后减小。

(4)表面活性剂(SDS)的影响

表面活性剂如十二烷基硫酸钠(SDS)含量少，两性水凝胶成形体的运动动力少，故运动速度慢；SDS含量多，由于离子渗透作用，水凝胶会处于膨胀状态，降低葡萄糖响应性，如附图5中的图d所示，表面活性剂(SDS)对水凝胶运动速度的影响：随着SDS含量的增加，水凝胶的运动速度先增加后减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。